Электроника, схемотехника, от души и с умом: для начинающих и для бывалых
источники питания

Сильноточный последовательный стабилизатор с низким падением напряжения

Несложная схемка, приведённая в статье про "идеальный" LDO стабилизатор с использованием мощного полевого МДП транзистора и TL431вызвала много откликов и вопросов. На некоторые вопросы я попытался ответить в комментариях к оригинальной статье. Здесь приведу несколько простейших вариаций на тему данного стабилизатора.Кстати, пока суть да дело я справился построить два 120-Ваттных блока питания, два "бочонка" со стабилизаторами собранным по обсуждаемой схеме.

 

Рабочий прототип

Окорпусение моих поделок всегда было проблемой. В этот раз, как мне кажется, я удачно выкрутился применив подставки для кухонной утвари из Икеи и кругляк, вырезанный из 6-миллиметровой плиты MDF.

120Ватт из бочонка

Ради чего весь сыр-бор?

Меня частенько называют сумасшедшим 🙂 И правда ведь: сегодня можно подобрать готовый импульсный источник питания практически под любые параметры. Стоить он будет возможно даже не дороже низкочастотного трансформатора, к тому же обычно оказывается и легче и компактней. Я же заплатил кучу деньгов за трансы и потратил несколько вечеров на сборку этих бочек. При том, что у меня уже были все необходимые источники. Итог: 7 импульсных коробочек были отправлены на хранение в подвал.

Открою секрет своего сумасшествия: это моя попытка уменьшить плотность электромагнитных полей в своём обиталище. К примеру микроволновка уже несколько лет тому назад была задарена людям, что выносят мусор из нашего подвала. Правда совесть немного всё же мучает: они ведь теперь облучаются и едят модифицированную пищу. Да и транс там был шикарный на 1килоВатт. 🙂

Вообще тема электромагнитных помех достойна диссера. Наверняка ещё не раз вернусь к ней в блоге...

Корпус "бочонок": радиатор с вентилятором поместились
На картинки можно "кликнуть" для просмотра в более высоком разрешении.
Сетевой предохранитель & LDO регулятор
Распаяно "паутинкой" (МГТФ + Kynar)

 

Вариации на тему

Во всех приводимых ниже набросках сохранена нумерация элементов из оригинальной статьи.

 

Две вторичных обмотки + плавный старт

Вкратце я уже предлагал такую модификацию в предыдущей статье. Плавный запуск можно обеспечить добавлением всего лишь одного резистора R9.

Эффективный первичный источник - две вторичных обмотки

Примерный набор компонентов:

  • VD1, VD2 = диоды Шоттки  8A 40В
  • VD5-8 = 0.5A 200В  маленький мостик
  • C1 = 15000 мкФ  25 В
  • C2, C3 = 47 мкФ  25 В
  • C4 = 1000 мкФ  35 В
  • R9 = 1 кОм
  • C6 = 0.1 мкФ  керамика

Обратите внимание на увеличившуюся ёмкость C4. Совместно с R9 она обеспечивает плавное нарастание напряжения "V++" при включении устройства. Поскольку напряжение на выходе регулятора не может превышать V++ за вычетом порогового напряжения МДП транзистора, данная модификация обеспечивает так же и плавное нарастание выходного напряжения при старте.

 

Единственная вторичная обмотка + плавный старт

На схеме данной вариации от диодных мостов рябит в глазах 🙂 Спешу напомнить, что собственно умножитель остался без изменений: всё тот же маленький мостик и 3 конденсатора.

Удвоитель напряжения можно запитать от одной обмотки

В случае, когда в системе уже присутствует какой-либо другой источник положительного напряжения (на несколько вольт выше того, что необходимо получить на выходе данного регулятора) - разумно будет использовать его в качестве "V++". От источника "V++" регулятор потребляет всего лишь несколько миллиампер, что не должно быть слишком обременительно для другого источника. Таким образом можно запросто избавиться от умножителя.

 

Обойдёмся без ограничителя тока

Без ограничителя тока схема может работать с пренебрежимо малым напряжением падения на проходном транзисторе и по-прежнему обеспечивать большие токи нагрузки, что недоступно ни одному из известных мне на сегодня промышленных LDO регуляторов.

TL431+MOSFET = LDO регулятор

Примерный список номиналов см. ниже.

Пожалуйста, не экономьте на предохранителях. Лучше заменить копеечную стеклянную трубочку с проволочкой, нежели тушить дымящийся трансформатор.
Рекомендую поставить "медленный" предохранитель (с буквой "T" - time) сразу после вторичной обмотки трансформатора. Предохранитель должен быть рассчитан на ток, примерно вдвое больший номинального тока нагрузки. Настоятельно не советую полагаться на предохранитель, стоящий в сетевом проводе, особенно в случае, когда трансформатор имеет несколько вторичных обмоток от которых запитаны разные узлы устройства. В таком случае "дымный" сценарий может быть такой: одна вторичка перегружена и уже дымит, тогда как общее потребление остаётся в пределах нормы, например из-за отключения остальных узлов устройства.

 

Полная схема регулятора

Просто перерисованная так, чтобы легче читалось, я надеюсь.

LDO регулятор с ограничителем тока

Пример номиналов из моего прототипа:

  • R1, R6 = 2.2 кОм
  • R2, R3 = 470 Ом
  • R4 = 0.22 Ом  3Вт
  • R5 = 12 кОм
  • R7 = 2.2 кОм  многооборотный
  • C5 = 10 nF  керамика
  • VT1 = IRFZ40
  • VT2 = 2N2222
  • VD9 = 1N5244B (стабилитрон на 14В)

 

Тестируем!

Картинка замечательного устройства, выручавшего меня неоднократно при отладке аудио-усилителей. В этот раз с его помощью оттестировал мои "бочонки", рассчитанные на 12.6V 2A по стабилизированному выходу. Ограничитель тока установлен примерно на 2.5A.

 
Тестовая нагрузка:   8/4/2 Ом   30/60 Ватт

 

Дальнейшее развитие идеи

  1. Внешний контроль включения в сочетании с плавным стартом;
  2. Термо-регулируемый вентилятор;
  3. Термический предохранитель;
  4. Набор для самостоятельной сборки;
  5. Программируемый источник...

Так что заглядывайте почаще, а лучше - подпишитесь на рассылку 😉

 

31 комментарий

  1. Anonymous

    Отличная статья! Одно примечание только: R2 и R3, всё же, по 470 Ом, не кОм.

  2. Serge Patrushin

    Ой, конечно что-нибудь от сотни ом до килоома там будет в самый раз. Это я в запарке… Исправил.Спасибо! 🙂

  3. Pingback: MOSFET + TL431 = компенсационный стабилизатор напряжения | MyElectrons.ru

  4. Pingback: High Current LDO Linear Voltage Regulator – the sequel | MyElectrons

  5. Pingback: Качественный фильтр сетевых помех для аудио + своими руками | MyElectrons.ru

  6. Александр

    А можно в двух словах узнать чем плоха микроволновка?просто люблю иногда так…для отдыха посмотреть телек…что-нибудь вроде «разрушителей мифов» так там на подобные темы много всякого уже делали…компакт диски в микроволновку и т.п.однако про вредность я ниразу не слышал…
    хотя…где то видел пару строчек о том что якобы американцы боятся кушать еду из микроволновки равно как и модифицированную…так я думал что это так…шутка типо того…
    микроводлновка же одобрена и проходила испытания и сертификацию международную и т.д.

    • serge

      Форум, срочно надо доделывать форум…

      Микроволновка:

      1) Экранированы они обычно неплохо, но при некотором старании всё же находятся места, где неонка светится рядом со включённой печкой. В моей семье был случай, когда онкология (с летальным финалом) была спровоцирована УВЧ физиотерапией. Рядом с теми аппаратами тоже неоночки светили весело…

      2) Мне откровенно не нравится, как изменяется вкус продуктов после разогрева (даже достаточно «мягкого») в микроволновке. Мясо деревенеет, молоко становится «пластмассовым», кура взрывается и т.п. Возможно это моё, личное, меня и так считают слишком чувствительным на нос 🙂
      Для себя такие изменения вкуса объясняю тем, что нагрев там происходит крайне локализовано — продукты (точечно) нагреваются до температур недостижимых в обычных кастрюлях да на сковородках.

      3) Знакомые химики-аналитики как-то прогнали молоко до и после microwave через ИК-Фурье спектрометр. Количество химической дряни (в т.ч. формальдегид), что они «унюхали» после разогрева — впечатлило даже их, закалённых.

      4) Передачи, сертификации — Вы действительно считаете, что эти дяди и тёти заботятся лично о Вашем здоровье, и совсем не задумываются о выгоде тех, кто заказал их «исследования»? 😉

      • Александр

        ну…я так спросил…уж очень заинтриговало :»задарил микроволновку мусорщикам»
        а вобще так кроме микровлновки и так полно всякого…сотовые,радио,wi-fi и т.д.
        что ж поделать прогресс…

  7. юрий

    Сергей!Вашей выдержке,черт возьми,имеет смысл завидовать,ну да ладно,я по поводу схемки с кондерами.Сама идея,ни в коем случае не в обиду вам,мне первый раз попала на глаза в любимом журнале «Радио» году эдак примерно в 78-79.»Два напряжения от одной обмотки,если помните…..Идея легла на душу настолько хорошо,что я до сих пор ею пользуюсь-получаю напряжение смещения на лампы,если свободной обмотки нет,а раньше питал таким образом операционники от обычного копеечного транса,чтобы не мотать доп обмотку,так что я искренне рад,что идея жива!

    • serge

      Юрий, это не выдержка, а мировоззрение: я искренне верю в то, что «плохих людей нет» (с) Х. ВанЗайчик. Каждый, кто сюда заглядывает — даст Бог почерпнёт что-нибудь для себя, либо из самих статей, либо из комментариев добрых людей, а так же может статься и моим учителем будет…

      Кондеи … я тоже зачитывал Радио до дыр 🙂 Да и не претендую я на особую новизну, вообще в этом мире изобрести что-либо уникально новое удаётся крайне редко. Обычно хорошие идеи просто «витают в воздухе», бывает многие годы подряд, и если мне удаётся скомпилировать что-либо полезное и добротное — я уже счастлив!

  8. юрий

    Да уж,только конструктива конкретного все меньше и меньше,либо напустить тумана,либо обхаять,либо вообще ввести в заблуждение-вот чем сегодня богат интернет,искренне хотелось бы чтобы кто-то научил чему-нибудь хорошему,ну да Бог с ними со всеми,я про кондеры все же………..Одно только в этой идее ограничивает ее применение-ток потребляемый нагрузкой напрямую влияет на напряжение питания,а со временем,по мере старения емкостей,ведь и не доберешься до истины-в чем причина неработоспособности устройства,если напряжение чуть упадет и будет недостаточно для нормальной работы.Что-то мне так кажется,что это-основная причина непопулярности схемы.

    • serge

      В защиту всевозможных умножителей: если брать конденсаторы «накачки» с большим запасом по ёмкости, то:

      1) ток нагрузки влияет на напряжение не на много больше, нежели просто с трансформатором и выпрямителем — в итоге ведь эти конденсаторы играют роль сопротивления, включенного последовательно с нагрузкой, и с современными огромными емкостями электролитов несложно использовать такие ёмкости, что это самое сопротивление будет в разы меньше скажем активного сопротивления вторички. Хотя, конечно, сильноточные цепи так запитывать негоже 🙂

      2) напряжение пульсаций на конденсаторах накачки получается совсем небольшим. Если паспортный макс. ток пульсаций этих конденсаторов как минимум на порядок выше тока нагрузки выпрямителя — то им и быстрое высыхание не грозит, не быстрее, нежели обычным сглаживающим банкам.

      3) опознать подсохшие конденсаторы накачки в умножителе IMHO всё же проще, нежели подсыхающие сглаживающе: тут хотя бы явно напряжение меньше рассчётного, можно просто тестером померить. Пульсации же надо ещё догадаться прикинуть и сообразить, что «зашкаливает» 😉

      Про непопулярность согласен на все сто. Вот только основную причину вижу в другом: недостаточное понимание происходящего в схеме и банальная привычка, т.е. основную роль тут играет психология, а не физика.

  9. юрий

    Cогласен,согласен !Только насчет пульсаций на порядок выше есть некоторые сомнения,а что до психики,то почему-то она на сегодняшний день главенствует.Кстати,аналогичных идей очень много,их упорно используют буржуи в своих хаенд конструкциях,даже язык не поворачивается назвать их разработками.До обидного мало наших инженеров,обращающих внимание на эти дела,но готовых спорить о синфазных помехах до иступления.Дай Бог Вам здоровья и вашему сайту,надеюсь его не замусорят до появления форума.

  10. Vlad

    Сергей спасибо за актуальную для меня информацию
    Задача стоит в питании оконечного 300ват кв усилителя
    для которого необходимо от 40 до 60 вольт при токе до 10а
    Предполагаю что для этого можно модифицировать Вашу
    схему в части замены транзистора на IRF3415 а TL 431 соединить
    на землю через стабилитрон типа BZX85C30 посчитать делитель на управление TL431.
    Источник выдает с емкостью 33000 мкф после моста. 56в и при токе 10а «просаживается»
    до 48в.
    Что то по Вашему мнению еще надо учесть чтобы получить стаб напряжение в указанных пределах с максимальным КПД всей схемы.

    Заранее благодарен за внимание.

    • serge

      Влад, приветствую на сайте!

      Первым делом проверьте, пожалуйста, до какого напряжения в пике (т.е. во впадине) просаживается источник, а не среднее значение — это и будет определять сколько мы сможем выжать из данной конкретной конфигурации.

      IMHO один корпус TO-220 всё же маловат будет под Вашу задачку. IR рекомендуют не более 50 ватт на нём рассеивать, я же предпочитаю за 20…25 ватт на один TO-220 не выходить. Так что либо надо полевики в более тяжёлых корпусах искать, либо параллелить. Ибо при Ваших вводных за сотню ватт рассеяния на регуляторе может запросто получиться.

      Кстати, как охлаждать будете? Совет: радиаторы с тихими вентиляторами для процессоров — дёшево и сердито 😉

      Над схемкой по Вашу задачу надо ещё подумать. Идея приращивать к ТЛ-ке костыль из стабилитрона мне как-то не очень.

  11. Vlad

    Сергей спасибо за моментальную реакцию на мою проблему.
    Просаживается напряжение в пике до 42в.
    А по поводу костыля согласен поскольку все будет определятся наихудшими
    параметрами подставки т.е. стабилитроном. Ну а как идея две последовательные
    TL431? По поводу рассеиваемой мощности как раз надеюсь что при таком включении
    полевиков все же будет меньшей по сравнению с биполярными.
    По поводу радиаторов для эффективности теплоотведения прийдется во первых
    с основным радиатором соединять через медную прокладку ну и возможно прийдется параллелить и совместно конечно с управляемым вентилятором.

  12. а если транса нет?

    При чистом DC от акка что делать?
    Такие девайсы есть, устройство защиты светодиодных лент для авто.
    2 корпуса ТО-92 + один в ТО-220 (MOSFET вероятно).

  13. а если транса нет?

    и те устр-ва без катушек и ЭМИ.
    дискретный аналог LM1085, но мощнее и «лоудроп»-истее.

    • serge

      Устройства те мне как-то не попадались, но придумать такое совсем несложно. Например P-channel MOSFET + управляемый стабилитрон, или даже просто стабик + транзистор — будет дёшево и сердито. К тому же светодиоды не обязательно защищать именно в положительном проводе — тогда можно и N-channel полевик использовать, будет ещё дешевле и ещё low-drop-истее 😉

      Справедливости ради надо отметить, что интегральные LDO регуляторы на приличный ток всё-же существуют 🙂 Недёшево, не шибко распространено, но есть. Может и вправду не стоит огород городить. Надеюсь, что статья помогла какому-нибудь доброму человеку разобраться, как можно создать хороший LDO из подручных материалов, или например на токи, которые в интегральном исполнении не доступны….

  14. Борис

    Здравствуйте. Не могли-бы привести схему вашей «Тестовой нагрузки: 8/4/2 Ом 30/60 Ватт»? Был-бы очень признателен.

  15. Roman

    Ошибочка у вас схеме удвоителя напрядения с конденсаторами и диодным мостом.
    Как же вы так?… «минус» диодного моста для удвоения надо не на общий «минус» цеплять, а на «плюс» выхода «+Vdd». В противном случае, как у вас нарисовано, напряжение будет такое же, как и без кондеев. Перерисуйте, пожалуйста.

    • Serge

      Роман, благодарю за комментарий и ценю Ваше вдумчивое отношение к схемотехнике!

      В статье, к счастью, ничего менять не нужно, во всяком случае с умножителем там всё в порядке — он выдаёт удвоенное напряжение, по сравнению с основным выпрямителем. Скорее надо бы мне сесть написать полноценную статью про умножители напряжения. Но если не возражаете, пока отвечу Вам прямо здесь, по возможности кратко.

      Мне видится два удобных и в целом равноправных подхода к анализу работы умножителей.
      1) Рассматривать пиковые значения напряжений в «застывшем» состоянии: когда на входе максимум, минимум, или ноль напряжения. А так же, что будет на выходе, если пренебречь потерями, падениями на диодах и уравновешиванием зарядов.
      2) Помнить, что конденсатор блокирует постоянную составляющую, и передаёт исключительно переменную. И смотреть, что выпрямляет выпрямитель, и к какой точке это выпрямленное напряжение прикладывается.

      Лично мне удобней первый метод. Для простоты можно считать обмотки, диоды и конденсаторы идеальными, а ток нагрузки — ничтожным.

      Более изящное (но чуть менее очевидное с первого взгляда) решение в коментарии от Александра: https://myelectrons.ru/mosfet-tl431-ldo-linear-voltage-regulator/#comment-88612

      Если что-то ещё осталось неясным — пишите, пожалуйста, спрашивайте. Может и вправду тогда статью с картинками сочиню на эту тему.

      • Roman

        Дело в том, что я «тупо» собрал по вашей схеме — на выходе было то же, что и после обычного диодного моста без кондеев. Пришлось включить «мозги» — после анализа схемы и подключения общего провода от конденсаторного выпрямителя на плюсовой выход обычного — напряжение в аккурат увеличилось как и положено. Проверял-перепроверял несколько раз — только так.

        • Cергей

          Роман, подозреваю, что всё же в Ваши эксперименты закралась ошибочка. В статье две схемы, очень похожи, одна со средней точкой у вторички, вторая — без.
          В схеме со средней точкой мост умножителя подключается к земле.
          В схеме с одиночной вторичной обмоткой мост умножителя «опирается» на V+.
          Вы какую именно схему проверяли? Сможете фото выложить? (Неважно, если будет «кракозябра» — мы за истину тут, а не за красоту)

          • Roman

            Вот эту-вот я собрал. Кстати, на схеме у вас все правильно, я именно так и собрал. Это я, видимо, что-то провтыкал по ходу, или небрежно смотрел, или неправильно перерисовал…
            В общем, у вас на эскизе все верно подключено!
            Прошу прощения за свою невнимательность.

          • serge

            Ура! 🙂
            Роман, благодарю за обратную связь и все вопросы!

      • Roman

        Да, по ссылке способ замечательный, но надо две обмотки, кои не всегда есть…

        • Александр Ростов-на-Дону

          Роман, есть прекрасный проверенный способ добыть удвоенное напряжение от обычной нагруженной на мост вторички. Причем, можно получить как плюс так и минус два U .

          • Roman

            Да, благодарю, я именно этот способ у себя в БП на усилок и использовал, т.к. на полноценный мост из 4-х диодов места не хватило.
            Кстати БП работает просто исключительно — питание очень чистое и стабильное.

  16. Сергей

    Сергей по Вашей схеме стабилизатора регулируется напряжение(R7),а можно ли сделать регулировку тока, что бы не дёргать постоянно резисторы нагрузки, неудобно каждый раз прибавлять-убавлять,и другое дело переменником выставить нужное значение.Если знаете как это сделать по Вашей схеме,нарисуйте пожалуйста.И ещё,удвоенное напряжение поступающее на затвор полевику какое должно(по Вашей схеме) в идеале? у меня мосфет(IRF2807) с порогом открытия 4в,а максимум по даташиту 20в.

    • serge

      Сергей, приветствую!
      VD9 защитит затвор полевика, с этим проблем быть не должно.

      А вот регулировку тока защиты по типу как в лабораторном блоке питания в этой схемке эффективно сделать вряд ли получится. Ну разве что несколько предопределённых уровней ограничения по току: с помощью мощного галетника сделать набор разных значений R4. Можно параллелить резисторы подключая нужные к самому большому номиналу (т.е. минимальный ток), а можно и последовательно их всех включить и закорачивать до тех пор, пока не останется самый низкоомный (т.е. на максимальный ток). Но всё это будет весьма приблизительно. Через контакты галетника потечёт ток нагрузки, ну или большая часть тока нагрузки при параллельном подключении резисторов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.