Применение TL431

TL431 - маленькая микросхема с большими возможностями

1. Аналог стабилитрона.

2. Схемы источников напряжения.

3. Схемы источников тока.

4. Схемы комбинированных источников питания.

5. Схемы комбинированных источников питания с регулировкой напряжения от нуля.

6. Схемы комбинированных источников питания с регулировкой напряжения и тока от нуля.

7. Схемы комбинированных источников питания с регулировкой напряжения и тока от нуля, с индикацией режимов работы.

8. Устранение выбросов при включении и выключении.

9. Опытный образец источника питания.

10. Дополнение 1. Устранение проблемы регулировки тока.

11. Опытный образец источника питания со всеми доработками.

Микросхема TL431 - регулируемый стабилитрон. (TL432 - вариант с опорным напряжением 1,25 В). Со времени её создания прошло более сорока лет, но она и сегодня не потеряла своей актуальности. В Интернете можно найти большое количество примеров с применением этой замечательной микросхемы. Тем не менее, когда у меня возникла необходимость сделать простой линейный блок питания с регулировкой напряжения и тока, я не нашёл ничего, на чём хотелось бы остановиться. Пришлось самому заняться разработкой.
В этой статье будут рассмотрены практические схемы, через которые я сам прошёл в процессе разработки конкретного источника питания для имеющегося у меня трансформатора с выходным напряжением 20В и допустимым током нагрузки 1,0 А.. Все они работоспособны. Отличаются только функциональностью. Все схемы были отмоделированы. Модели тоже прилагаются. Для каждой схемы я попытался выделить преимущества и недостатки.

1. Аналог стабилитрона.

Ни один стабилитрон по точности поддержания напряжения не может сравниться со стабилитроном, построенным на базе микросхемы TL431 (TL432).

1.1. Простейшая схема.

Самая простая схема - стабилитрон на 2,5 (1,25) В, представлена на рисунке 1:

Рис.1. Простейший стабилитрон: a) - на 2,5 В, b) - на 1,25 В.

1.2. Схема регулируемого стабилитрона.

Если добавить два резистора, можно получить стабилитрон, напряжение стабилизации которого можно устанавливать произвольно. Схема регулируемого стабилитрона показана на рисунке 2.

Рис. 2. Регулируемый стабилитрон.

Напряжение стабилизации Uст зависит в основном от отношения резисторов R1/R2 и внутреннего опорного напряжения Uоп, и вполне точно определяется по формуле:

Uст = (1+R1/R2)*Uоп.

Для стабилитрона TL431опорное напряжение Uоп с большой точностью можно считать равным 2,5 В. Для TL432 напряжение Uоп зависит от производителя и может быть равным 1,25 или 1,24 В. Для определённости в дальнейшем будем считать его равным 1,25 В.
Конкретные значения сопротивлений резисторов R1 и R2 с точки зрения экономичности схемы желательно выбирать побольше. Но слишком большие значения могут снизить скорость реакции микросхемы на изменение нагрузки или входного напряжения и сделать ощутимым влияние входного тока Iвх управляющего электрода, протекающего через резистор R1, на напряжение стабилизации. Так, при максимально возможном входном токе Iвх = 4 мкА и сопротивлении R1 = 100 КОм, напряжение стабилизации возрастёт на величину

∆U = Iвх*R1 = 4*10^-6*100*10³ = 0,4 [В].

Оптимальной является величина R1 порядка 10 - 30 КОм.
Максимально допустимое напряжение стабилизации Uстдоп для TL431 равно 36 В, а для TL432, в зависимости от производителя, лежит в диапазоне 15 - 20 В.
Максимально допустимый ток для обеих микросхем равен 100 мА. Но это не значит, что такой ток можно допускать при любых напряжениях стабилизации. Он может быть ограничен предельно допустимой мощностью, рассеиваемой корпусом микросхемы. Предельно допустимая мощность рассеивания корпуса ТО92 при температуре окружающей среды 25°С равняется 770 мВт и предполагает, что кристалл будет разогреваться до предельно допустимой температуры в 150°С. Лично меня такая температура не устраивает. Хотелось бы, чтобы микросхема нагревалась не более, чем до 100°С. Рассчитаем, какую максимальную мощность можно допустить в этом случае. Будем исходить из того, что внутри блока питания, в котором установлена микросхема, температура Токр не превышает 40°С, и определим перегрев ∆Т микросхемы, разогретой до Тмакс = 100°С:

∆Т = Тмакс - Токр = 100°С - 40°С = 60°С.

Тепловое сопротивление корпуса ТО92 равно 6,2мВт/°С и максимально допустимая мощность Рдоп составит:

Рдоп = 60°С*6,2мВт/°С = 372 мВт.

Зная напряжение стабилизации Uст, можно определить максимально допустимый ток Iдоп в микросхеме:

Iдоп = Рдоп/Uст.

Для увеличения рассеивания тепла микросхемой, необходимо впаивать её в печатную плату не слишком высоко, не более 3 мм над платой. Выводы микросхемы очень неплохо отводят тепло от кристалла.

1.3. Схема регулируемого стабилитрона повышенной мощности.

Если необходимо увеличить ток в цепи стабилитрона, следует использовать схему, приведённую на рисунке 3, с дополнительным транзистором.

Рис. 3. Регулируемый стабилитрон повышенной мощности.

Напряжение стабилизации рассчитывается по той же формуле, что и для предыдущей схемы. Максимально допустимый ток, протекающий через стабилитрон, и максимально допустимая мощность рассеивания определяются параметрами транзистора и радиатора, на котором он установлен.

^ ^ ^

2. Схемы источников напряжения.

2.1. Схема простейшего источника напряжения.

Схема простейшего источника напряжения приведена на рисунке 4. Модель этого источника можно посмотреть здесь.

Рис. 4. Простейший источник напряжения.

Если резистор R2 заменить потенциометром, получим регулируемый источник напряжения. Недостатком схемы является небольшая нагрузочная способность. При больших токах и высоких напряжениях ток в микросхеме U1 может превысить предельно допустимый.

2.2. С составным эмиттерным повторителем на биполярных комплементарных транзисторах.

Для увеличения нагрузочной способности вместо транзистора Q1 можно применить составной транзистор. Но более предпочтительным является составной эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах, использованный в схеме, показанной на рисунке 5, потому, что он обеспечивает меньшее падение напряжения.

Рис. 5. Источник напряжения с составным эмиттерным повторителем на комплементарных транзисторах. Здесь его модель.

2.3. С составным эмиттерным повторителем на биполярном и полевом транзисторах.

Вместо биполярного транзистора Q2 можно использовать полевой транзистор, в соответствии со схемой, показанной на рисунке 6.

Рис. 6. Источник напряжения с составным эмиттерным повторителем на биполярном и полевом транзисторах. Модель.

Схема с полевым транзистором имеет то преимущество, что ассортимент мощных полевых транзисторов с P - каналом больше, чем биполярных р-n-p.
Общим недостатком всех представленных выше источников напряжения является использование в выходной цепи эмиттерного повторителя. Падение напряжения на выходном каскаде составляет 2 - 4 В. Причём максимальное - на полевом транзисторе.
Это означает, что в случае регулируемого источника питания, максимальное выходное напряжение будет на 2 - 4 В меньше, чем напряжение на входе схемы. То есть, налицо не полное использование входного напряжения.

2.4. С выходным каскадом по схеме с общим эмиттером.

Схему с составным эмиттерным повторителем на комплементарных транзисторах, приведённую на рисунке 5, легко превратить в схему с общим эмиттером на выходе, как это показано на рисунке 7.

Рис. 7. Источник напряжения с выходным транзистором, выполненным по схеме с общим эмиттером. Вариант1. Неправильная модель. Модель.

P.S. После консультации с известным специалистом в области силовой электроники Валентином Володиным:
http://valvol.ru/viewtopic.php?p=110635#p110635 , который разбирается в моделировании гораздо лучше меня, оказалось, что это пример того, как не надо делать, потому, что в справочном листке на микросхему TL431 (datasheet) прямым текстом указано, что ёмкость, включённая параллельно выходу микросхемы, может привести к генерации.. Это же свидетельствует о том, что модель не всегда отражает всех ньюансов реального изделия.
Я не просто корректирую, а оставляю неправильные модели, поскольку этот сайт направлен в том числе и на обучение основам схемотехники.
Им же предложен вариант усранения возбуждения путём введения местной отрицательной обратной связи, уменьшающей коэффициент усиления в петле общей обратной связи, показанный на рисунке 7а.

Рис. 7а. Источник напряжения с выходным транзистором, выполненным по схеме с общим эмиттером. Вариант1. Правильная модель. Модель.

На рисунке 8 изображена вторая схема источника напряжения с выходным каскадом, выполненным по схеме с общим эмиттером.

Рис. 8. Источник напряжения с выходным транзистором, выполненным по схеме с общим эмиттером. Вариант 2. Модель некорректна. Модель.

Эта модель так же не корректна, как и модель на рисунке 7, по той же причине. Сделать её корректной можно введением резиcтор в цепь эмиттера транзистора Q1 и перенесением конденсатора C2 в цепь между эмиттером Q1 и коллектором Q2. Но тогда схема будет неработоспособна потому, что напряжение меду коллектором Q1 и шиной питания может стать больше, чем падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора Q2. Однако такая коррекция возможна в случае использования в Q2 полевого транзистора вместо биполярного.

Падение напряжения на транзисторе, включённом по схеме с общим эмиттером может быть меньше 1 В и определяется напряжением его насыщения.

2.5. С выходным каскадом по схеме с общим истоком.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, включённый по схеме с общим истоком, падение напряжения на нём может составлять доли вольта, если сопротивление его канала достаточно мало.
Схемы источников напряжения с полевым транзистором на выходе, включённым по схеме с общим истоком, представлены на рисунках 9 и 10.

Рис. 9. Источник напряжения с выходным транзистором, выполненным по схеме с общим истоком. Вариант1. Модель некорректна. Модель.

Эта модель так же не корректна, как и модель на рисунке 7, по той же причине. Корректная модель приведена на рисунке 9а.

Рис. 9а. Источник напряжения с выходным транзистором, выполненным по схеме с общим истоком. Вариант1. Правильная модель. Модель.

Рис. 10. Источник напряжения с выходным транзистором, выполненным по схеме с общим истоком. Вариант 2. Модель некорректна Модель.

Эта модель так же не корректна, как и модель на рисунке 7, по той же причине. Корректная модель приведена на рисунке 10а.

Рис. 10а. Источник напряжения с выходным транзистором, выполненным по схеме с общим истоком. Вариант 2. Правильная модель. Модель.

Эта схема по всем параметрам превосходит все предыдущие и является, на мой взгляд, самой лучшей среди них.

2.6. Схемы источников напряжения отрицательной полярности.

На микросхемах TL431, TL432 можно построить источник напряжения отрицательной полярности. На рисунках 11 - 13 приведены примеры таких схем с биполярным и полевым транзистором на выходе.

Рис. 11. Источник напряжения отрицательной полярности с биполярным транзистором на выходе. Модель.

Рис. 12. Источник напряжения отрицательной полярности повышенной мощности с биполярным транзистором на выходе. Модель.

Рис. 13. Источник напряжения отрицательной полярности с полевым транзистором на выходе. Модель.

Недостатком всех трёх схем является использование в выходной цепи эмиттерного (истокового) повторителя. Поэтому максимальная величина выходного напряжения на 2- 4 В ниже входного.
Схемы с общим эмиттером на выходе, лишённые этого недостатка, приведены на рисунках 14 и 15. А схемы с общим истоком приведены на рисунках 16и 17.

Рис. 14. Источник напряжения отрицательной полярности с биполярным транзистором на выходе, включённым по схеме с общим эмиттером. Вариант 1. Модель.

Недостатком схемы является перегруженность микросхемы U1. В следующей схеме этот недостаток устранён.

Рис. 15. Источник напряжения отрицательной полярности с биполярным транзистором на выходе, включённым по схеме с общим эмиттером. Вариант 2. Модель.

Рис. 16. Источник напряжения отрицательной полярности с выходным каскадом, выполненным по схеме с общим истоком. Вариант 1. Модель.

Недостаток схемы - склонность к самовозбуждению вследствие высокого усиления в петле обратной связи. В следующей схеме этот недостаток устранён.

Рис. 17. Источник напряжения отрицательной полярности с выходным каскадом, выполненным по схеме с общим истоком. Вариант 2. Модель.

По всем параметрам этот вариант является лучшим среди всех показанных здесь схем источников напряжения отрицательной полярности.

На этом закончим рассмотрение простых схем источников напряжения. Все схемы можно сделать регулируемыми, если вместо верхнего резистора в цепи управления микросхемы использовать потенциометр. Недостатком всех рассмотренных в этом разделе схем является то, что выходное напряжение не может быть ниже опорного напряжения микросхемы.

^ ^ ^

3. Схемы источников тока.

3.1. Схемы втекающего тока.

На рисунках 18 - 20 приведены схемы втекающего в источник тока.

Рис. 18. Источник втекающего тока с биполярным транзистором на выходе. Модель.

Ток Iэ, протекающий через эмиттер транзистора Q1, вычисляется по формуле:

Iэ = Uоп/R2.

Ток в нагрузке на величину тока базы меньше тока эмиттера.

Рис. 19. Источник втекающего тока повышенной мощности с биполярным транзистором на выходе. Модель.

Рис. 20. Источник втекающего тока с полевым транзистором на выходе. Модель.

Ток Iи, протекающий через исток (и сток) транзистора, вычисляется по такой же формуле:

Iи = Uоп/R2.

Ток в нагрузке равен току истока.
Обе схемы просты и обеспечивают максимальное напряжение на нагрузке, поскольку транзистор включён по схеме с общим эмиттером (истоком). Рассматривать другие варианты схем не имеет смысла.
Схема с полевым транзистором может обеспечить практически любую мощность источника в разумных пределах и второго транзистора для увеличения мощности не требуется. На мой взгляд, это лучшая схема втекающего тока.
Поскольку нагрузка одним выводом соединена с положительным выводом источника питания, обе эти схемы можно причислить е схемам с отрицательной полярностью питающего напряжения.

3.2. Схемы вытекающего тока. Вариант 1.

На рисунках 21 - 23 приведены схемы вытекающего из источника тока, выполненные по первому варианту.

Рис. 21. Источник вытекающего тока с одним биполярным транзистором. Вариант1. Модель.

Микросхема U1 в этой схеме сильно перегружена. Для её разгрузки необходимо введение второго транзистора.

Рис. 22. Источник вытекающего тока повышенной мощности с биполярным транзистором на выходе. Вариант 1. Модель.

Рис. 23. Источник вытекающего тока повышенной мощности с полевым транзистором на выходе. Вариант 1. Модель.

3.3. Схемы вытекающего тока. Вариант2.

На рисунках 24 - 26 приведены схемы вытекающего из источника тока, выполненные по второму варианту.

Рис. 24. Источник вытекающего тока с одним биполярным транзистором. Вариант 2. Модель.

Рис. 25. Источник вытекающего тока повышенной мощности с биполярным транзистором на выходе. Вариант 2. Модель.

Рис. 26. Источник вытекающего тока повышенной мощности с полевым транзистором на выходе. Вариант 2. Модель.

3.4. Схемы источников вытекающего тока с выходным транзистором, включённым по схеме с общим эмиттером (истоком).

Лучшие схемы источников напряжения были получены с использованием выходного каскада по схеме с общим эмиттером (истоком). Попытаемся построить аналогичный источник тока.
Мне удалось получить не слишком сложные и устойчивые к возбуждению схемы только для варианта 2.
На рисунках 27 и 28 показаны схемы таких источников тока. Первая - с биполярным транзистором на выходе, вторая - с полевым.

Рис. 27. Источник вытекающего тока с выходным каскадом, выполненным по схеме с общим эмиттером. Модель.

Рис. 28. Источник вытекающего тока с выходным каскадом, выполненным по схеме с общим истоком. Модель.

Как уже отмечалось, преимуществом схем, выходной каскад которых выполнен по схеме с общим эмиттером (истоком), является более полное использование источника питания, поскольку падение напряжение на транзисторе получается минимально возможным.
Недостатком обеих схем является то, что ток в нагрузке будет всегда меньше тока, определяемого по формуле:

I = Uоп/R3

на величину тока эмиттера транзистора Q1. В схеме с полевым транзистором ток эмиттера может быть установлен на порядок меньше. Кроме того, он почти не изменяется и может быть при необходимости скомпенсирован. Таким образом, схема с полевым транзистором на выходе опять является более предпочтительной.

^ ^ ^

4. Схемы комбинированных источников питания.

В этом разделе будут рассматриваться источники питания, в которых отдельно устанавливаются напряжение и ток. При токах в нагрузке меньше уставки тока, на нагрузке удерживается напряжение, заданное уставкой напряжения. При достижении тока в нагрузке уставки тока, источник переходит в режим источника тока. То есть, в комбинированных источниках питания ток в нагрузке ограничивается на заданном уровне уставкой тока, что особенно полезно при коротких замыканиях.
С другой стороны, например, при зарядке аккумулятора заданным током, можно задать предел напряжения, выше которого напряжение на аккумуляторе подняться не сможет.
Рассматриваться будут только несколько самых перспективных вариантов схем, имеющих практическое применение.

4.1. На основе варианта 1 источника вытекающего тока.

На рисунках 29 - 31 показаны схемы комбинированных источников питания, построенные на базе варианта 1 источника вытекающего тока. Среди них нет схем с выходным каскадом, включённым по схеме с общим эмиттером (истоком), поскольку достаточно простых и устойчивых к возбуждению схем для источников вытекающего тока варианта 1 получить не удалось.

Рис. 29. Схема комбинированного источника питания, построенного на базе варианта 1 источника вытекающего тока, с одним биполярным транзистором. Модель.

Недостатком схемы является перегруженность микросхем U1 и U2. Добавление второго транзистора устраняет этот недостаток.

Рис. 30. Улучшенная схема комбинированного источника питания, построенного на базе варианта 1 источника вытекающего тока, с биполярным транзистором на выходе. Модель.

Рис. 31. Улучшенная схема комбинированного источника питания, построенного на базе варианта 1 источника вытекающего тока, с полевым транзистором на выходе. Модель.

4.2. На основе варианта 2 источника вытекающего тока.

На рисунках 32 - 36 показаны схемы комбинированных источников питания, построенные на базе варианта 2 источника вытекающего тока.

Рис. 32. Схема комбинированного источника питания, построенного на базе варианта 2 источника вытекающего тока, с одним биполярным транзистором. Модель.

Недостатком, как и для всех схем с одним транзистором, является перегруженность микросхем U1 и U2. Устраняется добавлением второго транзистора.

Рис. 33. Улучшенная схема комбинированного источника питания, построенного на базе варианта 2 источника вытекающего тока, с биполярным транзистором на выходе. Модель.

Рис. 34. Улучшенная схема комбинированного источника питания, построенного на базе варианта 2 источника вытекающего тока, с полевым транзистором на выходе. Модель.

Схемы комбинированных источников питания, построенные на базе варианта 2 вытекающего источника тока, позволяют использовать на выходе транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером (истоком).

Рис. 35. Схема комбинированного источника питания, построенного на базе варианта 2 источника вытекающего тока, с выходным транзистором, включённым по схеме с общим эмиттером. Модель.

Рис. 36. Схема комбинированного источника питания, построенного на базе варианта 2 источника вытекающего тока, с транзистором на выходе, включённым по схеме с общим истоком. Модель.

Преимущества схем с общим эмиттером (истоком) были неоднократно описаны выше. Недостатком двух последних схем является то, что ток в нагрузке Iн, в режиме источника тока, меньше тока, рассчитываемого по формуле:

Iн = Uоп1/R5,

где Uоп1 - опорное напряжение микросхемы U1, на величину тока эмиттера транзистора Q1. Иногда это имеет значение. Отметим, что в схеме с полевым транзистором ток эмиттера Q1 может быть сделан на порядок меньше. Кроме того, величина его практически неизменна и он может быть скомпенсирован. В этом плане схема с полевым транзистором на выходе предпочтительнее.

4.3. Схемы комбинированных источников питания отрицательной полярности.

На рисунках 37 - 40 приведены четыре схемы источников питания отрицательной полярности. Две - с эмиттерным (истоковым) повторителем на выходе и две - с транзистором, включённым по схеме с общим эмиттером (истоком).

Рис. 37. Схема комбинированного источника питания отрицательной полярности с эмиттерным повторителем на выходе. Модель.

Рис. 38. . Схема комбинированного источника питания отрицательной полярности с истоковым повторителем на выходе. Модель.

Рис. 39. Схема комбинированного источника питания отрицательной полярности с выходным транзистором, включённым по схеме с общим эмиттером. Модель.

Рис. 40. Схема комбинированного источника питания отрицательной полярности с выходным транзистором, включённым по схеме с общим истоком. Модель.

На мой взгляд, последняя схема лучше остальных по всем параметрам, кроме наличия дополнительной микросхемы U3.

^ ^ ^

5. Схемы комбинированных источников питания с регулировкой напряжения от нуля.

Среди комбинированных схем источников питания (а другие меня не интересовали) я нашёл всего несколько, устойчивых во всём диапазоне нагрузок и уставок тока и напряжения. Три из них представлены на рисунках 41 - 43.

Рис. 41. Схема комбинированного источника питания с регулировкой напряжения от нуля, с биполярным транзистором на выходе. Модель.

Рис. 42. Схема комбинированного источника питания с регулировкой напряжения от нуля, с полевым транзистором на выходе. Модель.

Рис. 43. Схема комбинированного источника питания с регулировкой напряжения от нуля, с полевым транзистором на выходе, включённым по схеме с общим истоком. Модель.

Примечание. Токовое зеркало реально работает, если транзисторы находятся в одном кристалле. Лучший вариант - дифференциальная пара.

Дальше будем развивать только две последние схемы, как наиболее перспективные.

^ ^ ^

6. Схемы комбинированных источников питания с регулировкой напряжения и тока от нуля.

В последних схемах есть маленькие неприятности.
Первая заключается в том, что неуправляемый ток микросхемы U3 проходит через нагрузку. При больших сопротивлениях нагрузки и малых токах доля неуправляемого тока в нагрузке становится слишком большой.
Вторая неприятность состоит в том, что для регулировки тока от нуля, необходимо сопротивление R6 уменьшать от бесконечности. Обе эти неприятности устраняются введением дополнительного источника тока, вытекающего из нагрузки, как это показано на рисунках 44 и 45. С одной стороны, он компенсирует ток микросхемы U3, с другой - ток в нагрузку при регулировке тока начнёт поступать только в том случае, если он превышает ток дополнительного источника тока. А это означает, что максимальное значение сопротивления R6 может быть уменьшено до конкретной величины.

Рис. 44. Схема комбинированного источника питания с регулировкой напряжения и тока от нуля, с полевым транзистором на выходе. Модель.

Рис. 45. Схема комбинированного источника питания с регулировкой напряжения и тока от нуля, с полевым транзистором на выходе, включённым по схеме с общим истоком. Модель.

^ ^ ^

При работе источника напряжения, неплохо было бы знать, в каком режиме он работает, источника напряжения, или тока.
На рисунках 46 и 47 приведены схемы, в которых режимы работы показывают два светодиода. Зелёный горит в режиме источника напряжения, красный - в режиме источника тока. Поскольку один из светодиодов горит всегда, индикатор включения источника не нужен.

Рис. 46. Схема комбинированного источника питания с регулировкой напряжения и тока от нуля и индикацией режимов работы, с полевым транзистором на выходе. Модель.

Рис. 47. Схема комбинированного источника питания с регулировкой напряжения и тока от нуля и индикацией режимов работы, с полевым транзистором на выходе, включённым по схеме с общим истоком. Модель.

^ ^ ^

8. Устранение выбросов при включении и выключении.

При включении и выключении источников питания, описанных в предыдущем разделе, если установлено низкое выходное напряжение, появляются выбросы напряжения. Выбросы напряжения в схеме, приведённой на рисунке 46, показаны на рисунке 48.

Рис. 48. Выбросы напряжения на нагрузке при включении и выключении источника питания при низком выходном напряжении. Синий - сигнал включения, красный - выходное напряжение.

Это происходит во время установления и спада напряжений питания положительной и отрицательной полярности, когда режимы работы схемы нарушаются. Для устранения этого недостатка предлагается ввести дополнительную цепь, которая включает схему через некоторое время после появления напряжения на выходе трансформатора, когда конденсаторы полностью зарядятся, и выключать сразу после пропадания напряжения.
Полностью доработанная схема приведена на рисунке 49. Выходное напряжение в доработанной схеме показано на рисунке 50.

Рис. 49. Схема комбинированного источника питания с составным эмиттерным повторителем, с цепью устранения выбросов при включении и выключении. Модель.

Рис. 50. Напряжение на нагрузке при включении и выключении источника питания при низком выходном напряжении в доработанной схеме.. Синий - сигнал включения, красный - выходное напряжение.

На рисунке 51 приведена доработанная схема источника питания, показанного на рисунке 47.

Рис. 51. Схема комбинированного источника питания с транзистором на выходе, включённым по схеме с общим истоком, с цепью устранения выбросов при включении и выключении. Модель.

^ ^ ^

9. Опытный образец простого источника питания.

На базе схемы, показанной на рисунке 46, была разработана печатная плата и изготовлено два источника питания. В качестве выходного транзистора VT2 использовались как биполярные, так и полевые транзисторы. Претензий к работе не было.
Полная схема изготовленного источника питания показана на рисунке 52. Расположение элементов на печатной плате показано на рисунке 53.
В схеме и на плате ошибка: Буквы C и E необходимо поменять местами.

Рис. 52. Схема изготовленного источника питания.

На плате резистор регулировки тока RP1 закорочен перемычками, поскольку в некоторых источниках питания регулировка тока не нужна. При необходимости перемычки убираются и устанавливается резистор RP1.

Рис. 53. Расположение элементов на плате.

Рисунок печатной платы для изготовления по Лазерно-утюжной технологии можно найти здесь.

Схема, печатная плата и расположение элементов изготовленного источника питания здесь.

^ ^ ^

10. Дополнение 1. Устранение проблемы регулировки тока.

В описанных выше схемах для регулировки тока необходимо использовать очень низкоомный переменный резистор большой мощности. И проблема не столько в самом резисторе, сколько в его габаритах, сравнимых с габаритами источника питания.
Это тот случай, когда проще использовать более сложную схему, имеющую гораздо меньшие габариты.
Совсем простые, но не совсем стабильные схемы я здесь рассматривать не буду. Опыт показывает, что и без меня найдутся рационализаторы, которые ради упрощения в состоянии угробить любую схему.
На рисунке 54 показана цепь регулировки тока в самом простом случае.

Рис. 54. Схема источника тока с регулировкой тока маломощным потенциометром. Модель.

На рисунках 55 и 56 показаны два равноценных по сложности варианта цепи регулировки тока маломощными потенциометрами для схемы, изображённой на рисунке 49. Вторая цепь имеет в своём составе токовое зеркало, которое работает только с дифференциальными парами транзисторов в одном кристалле Практически это очень неудобно, поскольку дифференциальные пары реально доступны только в корпусах DIP14..
В схеме, показанной на рисунке 51, может быть использована только цепь по второму варианту, поскольку имеет минимально возможное падение напряжения на источнике тока, которым является токовое зеркало. Этот же факт и обесценивает схему. Схема с цепью регулировки показана на рисунке 57

Рис. 55. Вариант 1 цепи регулировки тока маломощным потенциометром в схеме, приведённой на рисунке 49. Модель.

Рис. 56. Вариант 2 цепи регулировки тока маломощным потенциометром в схеме, приведённой на рисунке 49. Модель.

Рис. 57. Добавление цепи регулировки тока маломощным потенциометром в схему, приведённую на рисунке 51. Модель.

^ ^ ^

11. Опытный образец источника питания со всеми доработками.

За основу второго опытного образца взята модель, приведённая на рисунке 55 .На её базе разработана схема, показанная на рисунке 58.

Рис. 58. Схема второго изготовленного источника питания.

Расположение элементов на печатной плате показано на рисунке 59. Внешний вид собранной печатной платы показан на рисунке 60.

Рис. 59. Расположение элементов на печатной плате.

Рис. 60. Внешний вид собранной печатной платы.

При макетировании схемы, показанной на рисунке 55 оказалось, что при очень малых токах, когда падение напряжения на резисторе R17 близко к нулю, к выводам микросхемы DA4 приложено падение напряжения на переходе эмиттер - база транзистора VT3 порядка 0,7 В, чего явно недостаточно для её функционирования. Проблема устранена введением цепи, состоящей из диода VD11 и резистора R14, что добавило напряжение порядка 0,6 В. Диод VD11 обязательно должен быть стабилитроном, включённым в прямом направлении. На стабилитроне при малых токах напряжение всегда выше, чем у выпрямительного диода.

Кроме того, учтены неудобства калибровки переменных резисторов. В схему введены подстроечные резисторы RP1 - RP4. Переменные резисторы выбираются несколько больших номиналов, чем необходимо для работы схемы. В процессе наладки вращением подстроечных резисторов устанавливаются нужные значения результирующих сопротивлений. Перед установкой в плату подстроечные резисторы должны быть выкручены в положение максимального сопротивления.

Процесс настройки.

1. Устанавливаем регуляторы напряжения и тока в среднее положение. Если перед установкой в плату потенциометр RP2 был установлен в положение максимального сопротивления, должен светиться красный (правый) светодиод. Вращением винта потенциометра RP2 находим положение, при котором зелёный светодиод светится, а красный полностью погашен. Если такого положения не возникает, что бывает очень редко, это говорит о том, что микросхема DA3 имеет большой ток утечки в цепи управляющего электрода. Заменяем DA4, или уменьшаем величину сопротивления R9 и повторяем настройку. Это положение соответствует наиболее точному отображению перехода из режима источника напряжения в режим источника тока и наоборот.

2. Устанавливаем резисторы регулировки напряжения в положение максимального напряжения. Вращая винт подстроечного резистора RP3, устанавливаем максимальное выходное напряжение.

3. Устанавливаем резисторы регулировки тока в положение минимального тока. К выходу источника подключаем амперметр, можно цифровой, установленный на предел измерения тока 10 А. Вращением винта подстроечного сопротивления RP4 находим положение, при котором нулевое значение тока получается, когда резистор RPI2 находится в крайнем положении и при его вращении ток сразу начинает возрастать.

4. Регуляторы тока и напряжения устанавливаем в положение минимальных значений тока и напряжения. Подключаем к выходу источника вольтметр с установленным пределом измерения 2 В. Если выходное напряжение не равно нулю, уточняем положение потенциометра RP4, добиваясь нулевого положения напряжения на выходе.

5. Устанавливаем регуляторы напряжения в среднее положение. Регуляторы тока устанавливаем в минимальное положение. Подключаем к выходу прибора амперметр, установленный на диапазон 200 мА. Если ток менее 20 ма, устанавливаем предел 20 мА, и далее аналогично. Вращением винта потенциометра RP1 добиваемся уменьшения выходного тока до значения, близкого к нулю, не допуская его отрицательного значения.

Полезные замечания.

1. Если при настройке малых токов и напряжений поднесение руки к переменному резистору вызывает изменение показаний прибора, корпуса переменных резисторов следует соединить с минусовой клеммой источника питания.

2. Конденсаторы С9* и С10* можно не устанавливать, если схема не возбуждается во всех режимах. При использовании микросхем TL431 некоторых производителей наблюдалось возбуждение, которое этими конденсаторами устранялось.

3. Стабилизатор напряжения DA8 введён после того, как сгорел китайский вольтамперметр, специально для его питания. Для его питания достаточно и 5 В, напряжение 12 В выбрано для того, чтобы можно было подключить ещё и вентилятор. Кстати, нельзя подключать к выходу стабилизатора оба провода питания ампервольтметра. Будет врать амперметр. Достаточно подключить красный провод к положительной клемме стабилизатора.

4. Распайка регулировочных резисторов имеет значение. Для ясности на рисунке 61 привожу монтажную схему панели.

Рис. 61. Монтажная схема панели.

5. Пример использования источника. Заряжаем батарею из десяти Ni-Me элементов. На холостом ходу установили выходное напряжение 14,2 В - предельное значение напряжения на аккумуляторе. Эти ручки больше не трогаем! Выкрутили ручки регулировки тока в минимальное положение. Подключили аккумулятор и установили ток заряда. Горит красный светодиод, сигнализируя, что идёт заряд. При достижении на аккумуляторе напряжения (14,15 - 14,2) В загорелся зелёный светодиод и ток начал уменьшаться. Чем точнее установлен потенциометр RP2, тем ближе к установленному напряжению включится зелёный светодиод.

Если на холостом ходу ручки регулятора тока установлены в минимальное положение, красный светодиод может тоже загореться, при этом выходное напряжение падает. Это нормально.

Внешний вид изготовленного источника питания показан на рисунках 62 - 64.