Стабилизаторы с малым падением напряжения. Схема. Модуль мощного стабилизатора напряжения на полевом транзисторе. Пекин обвалил Уолл-стрит

С ПАДЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ 0.05 В

При питании различной аппаратуры от батареек, часто возникает необходимость стабилизировать напряжение и потребляемый ток. Например при создании DVD лазера (смотрите статью на сайте) или светодиодного фонарика. Для этих целей, промышленность уже разработала несколько так называемых микросхем - драйверов, представляющих собой преобразователь низковольтного напряжения со встроенным стабилизатором. Последняя разработка - микросхема LT1308A.

Нисколько не уменьшая достоинства этих драйверов, хочу заметить, что даже в нашем крупном областном центре, такие микросхемы не достанешь. Только под заказ и по цене от 10 уе. Поэтому предлагаю простую, дешёвую но эффективную схему стабилизатора, из радиоаматора 4 2007.

Коэффициент стабилизации около 10000, выходное напряжение выставляем резистором 2.4 к* в пределах 2 - 8 В. При напряжении на входе меньше чем на выходе, регулирующий транзистор полностью открыт, и падение напряжения составляет несколько милливольт. Когда напряжение входа превышает выходное - падение на стабилизаторе составляет всего 0.05 В! Это делает возможным питание свето- и лазерных диодов от двух - трёх пальчиковых батареек. Тем более, что меняя ток нагрузки в пределах 0 - 0.5 А, Uвых меняется лишь на 1 милливольт. Плату для такого простого девайса можно не травить, а вырезать резаком. Для тех, кто не знает, объясню: берём сломанное полотно от ножовки по металлу и затачиваем на наждаке. Далее для удобства держания в руке, обматываем толстым проводом.

Теперь этим инструментом просто процарапываем с усилием медь, как дорожки.

Зачищаем наждачкой, залуживаем, паяем детали, и готово.

Одним из важнейших свойств стабилизаторов питания является наименьшее допускаемое напряжение между выходом и входом стабилизатора при наибольшем нагрузочном токе. Он выдает информацию, при какой наименьшей разности напряжений параметры прибора находятся в нормальном состоянии.

Одним способом повышения КПД линейной настройки является снижение до наименьшего значения падения напряжения регулировочного элемента. Это особенно важно для миниатюрных регуляторов, на которых каждые вспомогательные 50 милливольт падения преобразуются в несколько сотен милливатт теплоты со сложным рассеиванием в небольшом корпусе устройства.

Поэтому для подключения подобных схем многие фирмы предлагают проектировщикам микросхемы с малым падением до 100 милливольт. Хорошие параметры имеет микросхема ST 1L 08 при токовой нагрузке до 0,8 А наименьшее падение на транзисторе имеется около 70 милливольт.

Из заводских стабилизаторов можно отметить те, у которых при снижении нагрузочного тока до наименьшего значения падение снижается до 0,4 милливольта. Для уменьшения шума такие микросхемы снабжены вспомогательным буферным усилителем с клеммой для подключения наружного фильтра емкостью до 0,01 мкФ. К такому фильтру предъявляются наименьшие требования: величина емкости должна быть от 2,2 до 22 мкФ.

Особое внимание необходимо обратить на микросхему LD CL 015. При хороших свойствах и низком падении напряжения это один из стабилизаторов, работающих без конденсаторного фильтра. Это достигается схемой операционного усилителя с запасом по фазе. Однако для улучшения параметров и уменьшения шума на выходе целесообразно установить на выходе и входе прибора емкости около 0,1 мкФ.

Прибор с падением до 0,05 вольт

При подключении разной аппаратуры от аккумуляторов, чаще всего есть необходимость выравнивать напряжение и расходуемый ток. Например, для образования лазера видеопроигрывателя или фонарика на светодиодах. Для решения такой задачи на производстве уже спроектировано несколько микросхем в виде драйверов. Они представляют собой низковольтный преобразователь напряжения с внутренним стабилизатором. Новой разработкой является микросхема LТ 130 8А.

Не снижая преимущества таких драйверов, нужно заметить, что в большом областном городе нет таких микросхем. Можно заказать по высокой стоимости, около 10 евро. Поэтому есть дешевая простая и эффективная схема прибора из одного радио журнала.

Коэффициент стабилизации такого устройства равен 10000. Напряжение на выходе настраиваем сопротивлением 2,4 килома от 2 до 8 вольт. При величине питания на входе ниже выхода, настроечный транзистор открыт, и снижение питания равно нескольким мВ. Если входное напряжение выше выходного, то на стабилитроне оно равно 0,05 вольт. Это становится возможным для от пальчиковых батареек. Даже, меняя нагрузочный ток в интервале от 0 до 0,5 ампера, выходное напряжение изменится только на 1 мВ.

Для такого простого стабилизатора плату не обязательно травить, а можно вырезать специальным ножом. Оно изготавливается из сломанных полотен по железу, затачивается на шлифовальном круге. Затем ручку обматывают для удобства пользования.

Таким резаком можно процарапать дорожки на медной плате.

Плату чистим шлифшкуркой, лудим, припаиваем детали и все готово.

На фотографиях видно, что нет необходимости в травлении платы и ее сверлении.

Такой способ всегда применяется для производства маленьких простых схем. Нет необходимости оснащать радиатором охлаждения мощный транзистор. Он из-за небольшого падения напряжения не нагревается. При настройке обязательно необходимо подключить слабую нагрузку на выход.

Устройство выравнивания питания с малым падением

Наиболее важным свойством обладает стабилизатор с малым падением питания, так же как и на микросхемах, наименее допустимая разность потенциалов выхода и входа при наибольшей токовой нагрузке. Он определяет, при какой наименьшей разности напряжений между выходом и входом все свойства прибора находятся в норме.

• У наиболее распространенных стабилизаторов, выполненных на микросхемах серии М78 наименьшее допускаемое напряжение равно 2 вольта при силе тока 1 ампер.
• Прибор на микросхеме с минимальным напряжением на входе должен выдавать напряжение 7 вольт на выходе. При амплитуде импульсов на выходе прибора доходит до 1 вольта, то величина входного наименьшего напряжения увеличивается до 8 вольт.
• С учетом нестабильности напряжения сети в интервале 10% увеличивается до 8,8 вольт.

В итоге КПД прибора не превзойдет 57%, при значительном токе на выходе микросхема сильно нагреется.

Применение микросхем с низким падением

Хорошим выходом из ситуации является использование таких сборок, как КР 1158 ЕН, или LМ 10 84.

Работа прибора на микросхеме заключается в следующем:

• Малых значений напряжения можно достичь, применяя для регулировки мощный полевик.
• Транзистор работает в положительной линии.
• Использование стабилизатора с n-каналом предполагается по испытаниям: такие полупроводники не склонны к самовозбуждению.
• Сопротивление открытой цепи ниже, по сравнению с p-канальным.
• Транзистором управляет параллельный стабилизатор.
• Для открытия полевого транзистора, напряжение на затворе доводят на 2,5 вольта выше истока.

Такой вспомогательный источник необходим, если у него напряжение на выходе выше напряжения стока полевого транзистора на это значение.

Увеличить срок службы комплекта батарей или заряда аккумулятора, просто добавив в схему линейные стабилизаторы напряжения? Увеличить стабильность напряжения и уменьшить пульсации после импульсного преобразователя практически без снижения КПД блока питания? Это реально, если использовать современные микромощные LDO-стабилизаторы от STMicroelectronics с малым падением напряжения производства.

Продолжительное время разработчикам электронной аппаратуры были доступны только классические стабилизаторы (например, или стабилизаторы серий 78xx/79xx) с минимальным падением на регулирующем элементе от 0,8 В и выше. Связано это было с тем, что в качестве регулирующего элемента применялся n-p-n-транзистор, включенный по схеме с общим коллектором. Для того, чтобы открыть такой транзистор до насыщения, необходим дополнительный источник питания, напряжение которого превышает входное напряжение. Однако развитие технологий не стоит на месте, и с появлением мощных и компактных p-канальных полевых транзисторов их тоже начали использовать в стабилизаторах напряжения, включая по схеме с общим истоком. Такая схема позволяет при необходимости полностью открыть транзистор, и падение напряжения на его переходе фактически будет зависить только от сопротивления канала и тока нагрузки. Так появился стабилизатор LDO (Low DropOut).

Следует учитывать, что минимальное падение на канале транзистора LDO-стабилизатора практически линейно зависит от протекающего через него тока, так как канал фактически является электрически регулируемым резистором с некоторым минимальным сопротивлением. Поэтому при уменьшении выходного тока это напряжение тоже пропорционально уменьшается до некоторого предела, обычно равного 10…50 мВ. Лидерами же следует признать микросхемы и , у которых минимальное падение напряжения составляет всего 0,4 мВ. Если падение напряжения – одно из ключевых требований к стабилизатору, то следует присмотреться к стабилизаторам с большим запасом по току, так как у них из-за меньшего сопротивления канала регулирующего транзистора может быть гораздо меньшее падение напряжения на том же токе нагрузки.

Уникальная возможность LDO – его способность практически без ухудшения суммарного КПД блока питания стабилизировать напряжение, сглаживать выбросы и уменьшать шум на шине питания для высокочувствительных устройств, таких как радиоприемники, модули GPS, аудиоустройства, АЦП высокого разрешения, генераторы VCO, . Например, для питания схемы напряжением 3,3 В мы выбрали LDO с минимальным падением 150 мВ и понижающий импульсный стабилизатор с пульсациями на выходе амплитудой 50 мВ (верхняя кривая на рисунке 1). Выходное напряжение импульсного стабилизатора можно приблизительно оценить по формуле:

U Имп ≥ U Нагр. + U Drop + 1/2∆U Имп + 100…200 мВ,

где U Имп – выходное напряжение импульсного стабилизатора, U Нагр. – выходное напряжение линейного стабилизатора (напряжение питания нагрузки), ∆U Имп – амплитуда пульсаций напряжения на выходе импульсного стабилизатора. Поэтому выберем его равным 3,6 В. В итоге КПД ухудшится всего на 8%, однако при этом значительно уменьшатся пульсации напряжения. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (SVR) определяется по формуле:

SVR = 20Log*(∆U IN /∆U OUT)

При типовом коэффициенте порядка 50 дБ пульсации ослабляются примерно в 330 раз. То есть амплитуда пульсаций на выходе нашего источника питания уменьшится до сотен микровольт (нужно еще учитывать шум самого LDO, обычно он составляет десятки мкВ/В) – такой результат практически недостижим для большинства импульсных преобразователей без дополнительного стабилизатора или многозвенных LC-фильтров на выходе. Наилучшие характеристики стабилизации обеспечивают микросхемы , и микросхемы серии LD39xxx – у шум не превышает 10 мкВ/В, а коэффициент SVR доходит до 90 дБ.

Однако у LDO тоже есть недостатки, один из которых – склонность к самовозбуждению, причем не только при слишком большом ESR выходного конденсатора (или его слишком маленькой емкости), но и при слишком низком ESR. Связана эта особенность с тем, что каскад с общим эмиттером (общим истоком) имеет высокий выходной импеданс, поэтому на частотной характеристике стабилизатора появляется дополнительный низкочастотный полюс (его частота зависит от сопротивления нагрузки и емкости выходного конденсатора). В итоге уже на частотах в десятки килогерц сдвиг фазы может превысить 180° и отрицательная обратная связь превращается в положительную . Для решения такой проблемы в частотную характеристику необходимо добавить нуль, и простейший способ сделать это – увеличить последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора: это практически не увеличивает пульсации выходного напряжения, но является залогом стабильности всей схемы. Причем емкость и ESR конденсатора должны быть в строго очерченных пределах. Они указываются индивидуально для каждого LDO-стабилизатора. Увы, но стандартный подход «чем больше емкость и чем ниже ESR выходных конденсаторов – тем лучше», применимый к классическим линейным и импульсным стабилизаторам, здесь не работает.

В зависимости от компонентов внутренней корректирующей схемы, LDO-стабилизаторы можно условно разделить на три группы:

• стабилизаторы, рассчитанные на работу с танталовыми или электролитическими конденсаторами – им требуется конденсатор с ESR 0,5…10 Ом и более;
• стабилизаторы, рассчитанные на работу с танталовыми конденсаторами (ESR 0,3…5 Ом);
• стабилизаторы, рассчитанные на работу с керамическими конденсаторами – они сохраняют стабильность при ESR выходного конденсатора от 0,005 до 1 Ом.

Для высокочастотных и/или сильноточных цифровых схем рекомендуется ставить фильтрующие керамические конденсаторы емкостью 0,1…1 мкФ возле каждой микросхемы, и они тоже могут нарушить стабильность LDO-стабилизатора. Чтобы этого не происходило, рекомендуется увеличивать длину и уменьшать толщину дорожек от стабилизатора до нагрузки (тем самым увеличивать индуктивность дорожек), ставить в разрыв цепи питания дроссели или резисторы, а также выбирать LDO-стабилизаторы, скомпенсированные под низкий ESR нагрузки .

Есть еще один способ увеличить стабильность преобразователя – использовать в качестве регулирующего n-канальный транзистор, включенный по схеме с общим стоком. Такая схема стабильна практически при любых характеристиках выходного конденсатора, и даже вообще без конденсатора (так называемые capless-стабилизаторы). Однако для ее корректной работы необходим внутренний умножитель напряжения, который будет повышать входное напряжение для возможности отпирания регулирующего транзистора до насыщения. По такой схеме изготовлен – благодаря более низкому сопротивлению канала n-канальных транзисторов той же площади удалось значительно снизить падение напряжения, однако из-за постоянно работающего умножителя резко возрос потребляемый микросхемой ток в активном режиме. Но, по мнению автора, за такими стабилизаторами – будущее LDO, поэтому проблема повышенного энергопотребления наверняка скоро решится.

Из-за значительной емкости затвора ухудшается способность транзистора быстро реагировать на резкие изменения тока нагрузки. В итоге, при уменьшении тока нагрузки выходное напряжение стабилизатора по инерции повышается (до тех пор, пока встроенный операционный усилитель не сможет чуть закрыть транзистор), а при увеличении тока – выходное напряжение слегка проседает (нижняя кривая на рисунке 1). Увеличить нагрузочную способность стабилизатора можно посредством увеличения мощности выхода встроенного операционного усилителя, однако вслед за этим увеличивается потребляемый стабилизатором ток. Поэтому разработчику приходится выбирать: или использовать в схеме сверхмаломощные стабилизаторы (например, серий или с потребляемым током в единицы микроампер, но с очень высокой инерционностью и большими просадками напряжения при резких изменениях тока нагрузки), или стабилизаторы среднего и высокого быстродействия, но с потреблением до сотен микроампер. В качестве альтернативы существуют стабилизаторы с режимами экономии энергии (например, ), которые при уменьшении тока нагрузки автоматически переключаются в микромощный режим. Аналогично работают многие современные микроконтроллеры (например, семейств STM8 и STM32) – у последних имеется два встроенных LDO-стабилизатора, один из которых работает в микромощном, а второй – в активном режиме, что обеспечивает высокую энергоэффективность во всех режимах работы и во всем диапазоне напряжения питания.

Все рассмотренные в этой статье стабилизаторы для своей работы требуют минимум внешних компонентов – всего два конденсатора, причем входной конденсатор емкостью минимум 1 мкф обязателен для большинства микросхем, и только для регулируемых версий еще необходим делитель из двух резисторов (рисунок 2). Все микросхемы имеют защиту от перегрузки и перегрева, способны работать в диапазоне температур -40…125°С. Многие микросхемы имеют вход включения Enable: потребляемый ток в режиме «Выключено» обычно не превышает единиц…сотен наноампер. Основные электрические характеристики стабилизаторов указаны в таблице 1.

Таблица 1. Основные электрические характеристики LDO-стабилизаторов ST

Примечания:

1. на максимальном выходном токе;
2. на частоте 10 кГц;
3. в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц;
4. в скобках указаны значения для режима Green.

Микромощные LDO-стабилизаторы

Как известно, у многих схем с широким диапазоном напряжения питания при повышении напряжения увеличивается потребляемый ток, поэтому для увеличения срока службы комплекта батарей следует стабилизировать напряжение на минимально допустимом уровне, при котором еще не нарушается работа схемы . Однако при этом нужно учитывать ток потребления самого LDO – он должен быть гораздо ниже той разницы, которую мы пытаемся сэкономить. Также нужно учитывать минимальное падение напряжения на стабилизаторе, так как чем оно выше – тем раньше у нас сядут батарейки. И если лет 20 назад разработчикам были доступны только микросхемы семейства КРЕН с типовым потребляемым током более 3 мА, то сейчас выбор гораздо шире.

Для работы в микромощном режиме лучше всего подходит – уникальный стабилизатор с потреблением порядка 1 мкА (до 2,4 мкА при максимальном токе нагрузки) и падением напряжения менее 112 мВ. При этом его выходное напряжение во всем рабочем диапазоне изменяется не более, чем на 3…5%. Схема стабилизатора – простейшая (рисунок 3), без каких-либо дополнительных опций. Чуть выше энергопотребление у . Эта микросхема способна работать при входном напряжении до 12 В. А , при потребляемом токе 4,5 мкА и сравнительно невысокой стоимости, способна выдерживать входное напряжение до 26 В. Микросхемы изготавливаются в корпусах средних размеров и идеально подходят для устройств с батарейным питанием – при токе нагрузки не более единиц микроампер даже маленькая батарейка CR2032 в устройстве с будет работать десятки лет!

Эта схема стабилизирует ток через один или несколько светодиодов, причём практически независимо от напряжения питания. Её главным преимуществом является очень малое падение напряжения, которое может быть меньше 100 мВ. Конструкция может найти применение в светодиодных лентах, где напряжение может изменяться по длине за счет резистивного падения, и небольшие изменения напряжения приводят к существенным изменениям тока и яркости. А также в , где каждый вольт на счету.

Схема стабилизатора тока светодиодов

Падение напряжения в цепи резистора R не превышает 40 мВ. Остальное зависит от параметров Q3.

Номинальный ток светодиода здесь составляет 7,2 мА при 9 В. Увеличение напряжения до 20 В вызывает изменение тока всего +15%, благодаря динамическому сопротивлению.

Значение резистора R1 выбрано для синего/белого светодиода с падением напряжения в диапазоне 2,9 - 3,4 вольта. Для поддержания нужного уровня на другой вольтаж падения напряжения - измените значение R1 пропорционально изменению падения напряжения.

Ток через светодиоды обратно пропорционален значению R. Ток может быть грубо изменен с помощью этого резистора, и точно настроен путем изменения R1.

Для получения хорошей термостабильности, Q1 и Q2 должны быть в тепловом контакте. В идеале, они должны быть на одном кристалле, но и так получаются хорошие результаты, когда они прижаты друг к другу.

Схема хорошо работает не только с одним светодиодом. Максимальное количество светодиодов в линии зависит только от параметров компонентов схемы.