» » Линейный стабилизатор напряжения с регулировкой на TL431 и NPN транзисторах

Линейный стабилизатор напряжения с регулировкой на TL431 и NPN транзисторах

Всем привет!
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.

Аркадный автомат для игры вдвоём

Переделка шуруповерта на литий своими руками

9.1
Идея
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
9.5
Описание
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
8.3
Исполнение
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
Итоговая оценка: 8.96 из 10 (голосов: 8 / История оценок)

Добавить комментарий

    • smilesmilesxaxaokdontknowyahoonea
      bossscratchfoolyesyes-yesaggressivesecret
      sorrydancedance2dance3pardonhelpdrinks
      stopfriendsgoodgoodgoodwhistleswoontongue
      smokeclappingcraydeclarederisivedon-t_mentiondownload
      heatirefullaugh1mdameetingmoskingnegative
      not_ipopcornpunishreadscarescaressearch
      tauntthank_youthisto_clueumnikacuteagree
      badbeeeblack_eyeblum3blushboastboredom
      censoredpleasantrysecret2threatenvictoryyusun_bespectacled
      shokrespektlolprevedwelcomekrutoyya_za
      ya_dobryihelperne_huliganne_othodifludbanclose
10 комментариев
  1. Korolev
    состоящим из железного трансформатора
    А картонный транс не подойдёт?
    Напряжение в сети может меняться в зависимости от нагрузки
    От какой нагрузки?
    Данная схема будет обеспечивать стабильное выходное напряжение при изменяющимся входном
    А при изменении тока нагрузки?
    R= U/I = 19В / 0,08A = 240 Ом
    А падение напряжения на TL431 не в счёт?
    напряжения в пределах от 2,7 до 16 В при токе до .
    транзистор должен быть способен рассеять мощность до 30-35 Ватт
    Pmax=(19-2,7)*4=65,2 Вт!
    Конденсатор С3 нужен для стабилизации напряжения на базе транзистора VT1
    Диод D2 нужен для защиты от транзистора при питании коллекторных электродвигателей
    ???
    Для этой цели лучше подойдут готовые микросхемы в корпусе ТО-220 на токи до 5А, например КР142ЕН22А
    А вот с этим абсолютно согласен! smile
    1. EandV Автор
      Приветствую!
      Ну вы прямо всю статью проанализировали, мне аж приятно, что кто-то так внимательно всё прочитал. Не зря значит я столько букав писал.
      Постараюсь ответить по существу:
      А картонный транс не подойдёт?

      Картонный не подойдёт однозначно, феритовый - импульсный тоже. Я когда-то думал, что феритовый - высокочастотный и железный на 50 Герц - это одно и тоже, теперь знаю, что нет, о чем и спешу упомянуть. Вдруг не один я такой на всём белом свете.
      От какой нагрузки?

      Люди пришли вечером после работы, повключали телевизоры, электрические плиты, компьютеры и т.д., напряжение в сети просело на пару вольт (более актуально для небольших городов и сельской местности, хотя и в Москве небольшие колебания - не редкость)
      А при изменении тока нагрузки?

      Вот это вопрос правильный, проверю.
      А падение напряжения на TL431 не в счёт?

      Его не учитывал, т.к. в моем случае оно не существенное, транзистор VT2 усиливает с запасом. Задача подбора резистора для TL - ограничить ток, чтобы ее не спалить, если будет чуть меньше - не смертельно
      Pmax=(19-2,7)*4=65,2 Вт

      Уважаемый, это же линейная схема, ограничение выходного напряжения получается благодаря ограничению тока транзистором. Не будет никаких 4А при ограничении до 2,7В. Посмотрите видео к статье, там на испытаниях четко видно: при 2,7В ток 1,7А, т.е. (19-2,7)*1,7=27,7 Вт, так что живём!
      ???

      Без C3, выходное напряжение после транзистора немного гуляет +/- 50 мА. На подобных схемах видел как для этой цели ещё ставят резистор компенсирующий обратный ток коллектора около 4,7к между базой и эмиттером транзистора.
      По поводу диода - опечатка (ну уж простите), "для защиты транзистора" - имелось в виду, речь об этом:
      http://www.joyta.ru/9476-upravleniya-dvigatelem-postoyannogo-toka/
      Если лень читать, вот цитата:
      "Поскольку двигатель является индуктивной нагрузкой, мы должны быть осторожны. Если через обмотку течет ток, и мы внезапно остановим этот поток, то на выводах обмотки временно появляется большое напряжение. Это напряжение может привести к повреждению транзистора (в представленной схеме выше) вызывая пробой перехода база-коллектор. Кроме того, это может создавать значительные помехи. Для предотвращения этого необходимо параллельно с индуктивной нагрузкой подключить диод"
      А вот с этим абсолютно согласен!

      После остальных комментариев, этот как бальзам на раны)
      1. Korolev
        напряжение в сети просело на пару вольт
        Это менее 1%, но обычно, когда мы говорим о стабилизаторах, то имеем ввиду нагрузку на выходе.
        Не будет никаких 4А при ограничении до 2,7В. Посмотрите видео к статье
        При входном напряжении 19В, схема способна служить источником стабилизированного напряжения в пределах от 2,7 до 16 В при токе до .
        Это Ваши данные. На видео, при уменьшении напряжения, ток действительно уменьшается (закон Ома), но на конкретной, активной нагрузке. Уменьшите сопротивление нагрузки - ток возрастёт.
        Без C3, выходное напряжение после транзистора немного гуляет +/- 50 мА
        Конденсатор С3 нужен для стабилизации напряжения на базе транзистора VT1
        Не может конденсатор стабилизировать напряжение. scratch
        1. EandV Автор
          Приятно общаться с людьми, которые дают замечания по существу. По ряду вопросов вынужден признать Вашу правоту.
          Но всё же хочу разъяснить пару моментов.
          Это менее 1%, но обычно, когда мы говорим о стабилизаторах, то имеем ввиду нагрузку на выходе.

          Соглашусь с Вами, нужно мне было точнее формулировать. Думаю общий смысл понятен: напряжение в сети гуляет, пусть и не сильно, на выходе трансформатора будет тоже гулять.
          Это Ваши данные. На видео, при уменьшении напряжения, ток действительно уменьшается (закон Ома), но на конкретной, активной нагрузке. Уменьшите сопротивление нагрузки - ток возрастёт.

          Вы конечно правы, тут спорить бесполезно, но на практике линейные стабилизаторы люди, которые имеют хотя бы минимальный опыт в электронике, скорее не будут использовать при большом падении напряжения и на максимальных токах ( я по крайней мере надеюсь).
          Я пытался это донести следующим текстом, возможно не очень удачно:
          "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)."
          Не может конденсатор стабилизировать напряжение.

          Опять таки формулировка не та... В общем, с конденсатором лучше.

          Ещё раз благодарю за конструктивные комментарии. В наше время такое не часто бывает, обычно просто говорят, что схема негодная, а автора отправляют почитать какой-нибудь классический учебник по электронике.
  2. pyyramid
    Этот вариант, думаю, более приемлем.
    1. EandV Автор
      Такую схему не пробовал, если честно. Вариант с полевиком интересный.
      Изначально в схеме, описанной в статье, хотел использовать именно биполярники, а точнее транзистор Дарлингтона (завалялось у меня пару лишних КТ827А). Потом подумал, что КТ827А не у каждого есть, а стоят они не дешево. Поэтому сделал вариант с составным транзистором из дешевых деталей.
  3. Гость Александр
    Снимаю шляпу работа проделана большая. Но есть одно но транзисторы биполяры без( водяного) охлаждения трудно охладить . По этой причине давно перешел на полевеки . Попробуйте не пожалеете при тех же параметрах радиатор большой не нужен
    1. EandV Автор
      Спасибо!
      Да, линейные схемы на биполярных транзисторах - это по сути кипятильники. С этим не поспоришь.
      Лично я полевики использовал только схемах ШИМ регуляторов. Могу конечно ошибаться, но по-моему, если полевики в линейном (приоткрытом) режиме использовать, они тоже будут греться. Они не греются только в полностью открытом состоянии.
  4. Иван_Похмельев
    Цитата: EandV
    Могу конечно ошибаться, но по-моему, если полевики в линейном (приоткрытом) режиме использовать, они тоже будут греться.
    По мнению науки физики - тоже. )) Какая разница, какой транзистор - биполярный, полевой, IGBT, БСИТ? Если по нему проходит ток и падает напряжение, то выделяемая на нём мощность никак не зависит от типа транзистора. ))
  5. EandV Автор
    Как обещал, проверил стабилизацию выходного напряжения при изменении тока нагрузки.
    Стабилизация отрабатывает нормально. Условия проверки: входное напряжение -16В, выходное - 12В. Ток нагрузки менял примерно с 1,5А до 3А (одна лампочка горит постоянно, к ней подключал/отключал дополнительную лампочку). Напряжение 12В держит стабильно.

Привет, Гость!


Зарегистрируйтесь

Или войдите на сайт, если уже зарегистрированы...

Войти

Добавьте самоделку

Добавьте тему

Онлайн чат

Опрос
А Вы уже рассказали на сайте о своей самоделке?

Последние комментарии

Все комментарии
Новые самоделки на почту

Введите электронную почту и получайте письма с новыми самоделками. Не более одного письма в день.