Компромиссный (цена/качество) импульсный стабилизатор

Импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН) пользуются большой популярностью у радиолюбителей. В последние годы такие устройства строят на базе специализированных микросхем, полевых транзисторов и диодов Шоттки. Благодаря этому технические характеристики ИСН значительно улучшились, особенно КПД, который "перевалил" за 90 %, при одновременном упрощении схемотехники. Однако и стоимость деталей для сборки такого ИСН возросла во много раз. Описываемый в статье ИСН - результат поиска компромисса между качественными показателями, сложностью и ценой.

Предлагаемый ИСН построен по схеме с самовозбуждением. Он обладает достаточно высокими эксплуатационными характеристиками и надежностью, имеет защиту от перегрузок и коротких замыканий выхода, а также от появления на выходе входного напряжения в случае аварийного пробоя регулирующего транзистора.

Принципиальная схема ИСН изображена на рис. 1. Его основа - распространенный ОУ КР140УД608А. В отличие от многих устройств подобного назначения, для слежения за выходным напряжением и током перегрузки используется общая цепь ООС, образуемая транзистором VT4, а в качестве датчика тока используется катушка индуктивности L2 (активная составляющая ее сопротивления), которая одновременно является частью LC-фильтра (L2C3), уменьшающего пульсации выходного напряжения. Выходное напряжение определяют стабилитрон VD2 и эмиттерный переход транзистора VT4: Uвых = Uбэ VT4 + UVD2, а ток перегрузки - нормируемое активное сопротивление катушки индуктивности L2: lcpa6 = Uбэ VT4/Rl2- Все это позволило в какой-то мере упростить ИСН, уменьшить пульсации выходного напряжения и увеличить КПД благодаря совмещению датчика тока с LC-фильтром. Недостаток такого схемного решения - несколько завышенное выходное сопротивление устройства.

Основные технические характеристики ИСН следующие (получены с использованием ЛАТРа, понижающего трансформатора ~220/~18 В и двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором):

выходное напряжение при отсутствии нагрузки -12,5, при токе нагрузки 4 А- 12 В; ток срабатывания защиты (переход в режим стабилизации тока) - 4,5 А; напряжение пульсаций при емкости сглаживающего конденсатора выпрямителя 4700 мкФ - 16, при емкости, вдвое большей (2x4700 мкФ), - 8 мВ (измерено милливольтметром ВЗ-38). При оценке пульсаций с помощью осциллографа на выходе наблюдались практически только пульсации входного напряжения частотой 100 Гц (в первом случае размахом 50, во втором - 25 мВ), импульсы же с частотой преобразования практически полностью подавлялись LC-фильтром; частота преобразования при токе нагрузки 4 А - около 20 кГц; потребляемый ток - 10 мА; КПД при токе нагрузки 4 А - не менее 80 %; входное напряжение - 16...27 В.

В случае питания от стабилизированного источника постоянного тока работоспособность устройства сохраняется при снижении входного напряжения практически до открытого состояния транзистора VT3. Дальнейшее уменьшение входного напряжения приводит к срыву генерации, но VT3 остается открытым. Если при этом на выходе возникнет перегрузка или короткое замыкание, генерация восстанавливается и стабилизатор начинает работать в режиме ограничения тока. Это свойство позволяет использовать его в качестве электронного предохранителя без "защелки".

Работает стабилизатор следующим образом. Из-за разного соотношения сопротивлений резисторов делителей R6R7 и R8R9 напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA1 в момент включения питания оказывается больше, чем на инвертирующем, поэтому на его выходе устанавливается высокий уровень. Транзисторы VT1 -VT3 открываются и конденсаторы С2, C3 начинают заряжаться, а катушка L1 - накапливать энергию. После того как напряжение на выходе стабилизатора достигнет значения, соответствующего пробою стабилитрона VD2 и открыванию транзистора VT4, напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA1 становится меньше, чем на инвертирующем (из-за шунтирования R9 резистором R10), и на его выходе устанавливается низкий уровень. В результате транзисторы VT1-VT3 закрываются, полярность напряжения на выводах катушки L1 скачком изменяется на противоположную, открывается коммутирующий диод VD1 и энергия, накопленная в катушке L1 и конденсаторах С2, C3, отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение уменьшается, стабилитрон VD2 и транзистор VT4 закрываются, на выходе ОУ появляется высокий уровень и транзистор VT3 снова открывается, начиная тем самым новый рабочий цикл стабилизатора.

При увеличении тока нагрузки сверх номинального значения возрастающее падение напряжения на активном сопротивлении катушки L2 начинает в большей мере открывать транзистор VT4, ООС по току становится преобладающей, а стабилитрон VD2 закрывается. Из-за действия ООС выходной ток стабилизируется, а выходное напряжение и входной ток уменьшаются, обеспечивая тем самым безопасный режим работы транзистора VT3. После устранения перегрузки или короткого замыкания устройство возвращается в режим стабилизации напряжения. Вольт-амперные характеристики стабилизатора показаны на рис. 2.

Как видно из схемы, транзисторы VT1 и VT3 образуют составной транзистор. Такое схемное решение оптимально при использовании в качестве ключевого элемента биполярного транзистора, так как в этом случае обеспечивается относительно небольшое падение напряжения на открытом транзисторе VT3 при относительно малых токах управления. При этом транзистор VT1 насыщается, обеспечивая оптимальные статические потери составного транзистора, а VT3 не насыщается, обеспечивая оптимальные динамические потери.

В качестве датчика тока VT4 применен мощный транзистор серии КТ817. В принципе, здесь возможно использование и более дешевого маломощного транзистора, однако у мощных при малых рабочих токах (как в данном случае) напряжение открывания эмиттерного перехода - всего около 0,4 В, тогда как у маломощных, например, КТ3102, оно - около 0,55 В. Таким образом, при одном и том же токе срабатывания защиты сопротивление измерительного резистора в случае использования мощного транзистора получается меньше, обеспечивая тем самым выигрыш в КПД стабилизатора.

В описываемом ИСН, как отмечалось, предусмотрена защита от появления входного напряжения на выходе при пробое регулирующего транзистора VT3. В этом случае напряжение на стабилитроне VD3 становится более 15 В, ток в силовой цепи резко возрастает и предохранитель FU1 сгорает. Предполагается, что последний перегорит раньше, чем это случится со стабилитроном (из-за тепловых перегрузок). Имитация аварии (замыкание выводов коллектора и эмиттера VT3) показала, что стабилитроны КС515А (в металлическом корпусе) отлично защищают питаемые от ИСН устройства: при сгорании предохранителя они, выходя из строя, остаются "в глубоком" коротком замыкании (не обрываются). Такие же результаты получены при испытании стабилитронов КС515Г, а также аналогичных импортных (в пластмассовых корпусах). Неудовлетворительно вели себя аналогичные стабилитроны в стеклянных корпусах - они успевали перегорать одновременно с предохранителем.

В ИСН можно применить любые транзисторы указанных на схеме серий (кроме КТ816А в качестве VT1). Оксидные конденсаторы С2, C3 - зарубежного производства марки SR (приближенный аналог К50-35). В процессе макетирования стабилизатора проверялась возможность применения ОУ КР140УД708, КР140УД8А-КР140УД8В, КР544УД1 А, КР544УД2А, КР544УД2Б, КР574УД1А, КР574УД1 Б. При этом несколько изменялись частота преобразования, вид коммутационных процессов и КПД. Наиболее подходящая замена КР140УД608 - КР140УД708 (у него такая же "цоколевка"), однако внимание: в практике автора встречались эти ОУ с "обратным" расположением входов, т. е. неинвертирующий вход был подключен к выводу 2, а инвертирующий - к выводу 3!). О том, что это именно ОУ КР140УД708, свидетельствовала маркировка на корпусе.

Накопительная катушка индуктивности L1 помещена в броневой магнитопровод из двух чашек 422 М2000НМ с зазором около 0,2 мм, образованным двумя слоями самоклеющейся бумаги. Делается это следующим образом.

Из листа самоклеющейся бумаги вырезают квадрат размерами чуть больше внешнего диаметра чашки. Сняв защитный слой, бумагу кладут клеящейся стороной вверх на твердую и ровную (не гладкую) поверхность. Затем на бум у торцом вниз кладут одну из чашек и плотно притирают к бумаге. В результате бумага приклеивается к торцу чашки до такой степени, что обрезать ее излишки острым скальпелем по фрагментам контура не составляет труда. Таким же способом приклеивают прокладку и ко второй чашке.

Наматывают катушку проводом ПЭЛ 1,0 на разборном каркасе, состоящем из шпильки длиной 50... 100 мм с резьбой М4 на обоих концах, двух ограничительных шайб-щечек диаметром 16 и толщиной 0,5 мм, втулки внешним диаметром 10, внутренним 5 и длиной 7,5 мм и двух гаек М4. Каркас собирают на шпильке (в последовательности: гайка, шайба, втулка, шайба, гайка) и плотно, виток к витку, наматывают катушку - 20 витков в три ряда (7+7+6). После намотки ее выводы скручивают примерно на 90° (чтобы витки не "расползлись") и аккуратно разбирают каркас с одной стороны. Затем, придерживая витки, катушку аккуратно снимают с каркаса и вставляют в одну из чашек, выводы раскручивают и укладывают в соответствующие прорези в чашке. Благодаря пружинящим свойствам провода катушка достаточно хорошо фиксируется в чашке.

Чтобы катушка не "пищала" на частоте преобразования, чашку с обмоткой погружают на некоторое время в резервуар с нитролаком, затем извлекают и дают лаку стечь. После этого чашку надевают на предварительно вставленный в соответствующее отверстие платы стягивающий винт, надевают вторую чашку и полученную таким образом сборку стягивают винтом с гайкой и шайбой. После высыхания лака выводы катушки аккуратно зачищают, облуживают и припаивают к соответствующим контактам платы. Затем монтируют остальные детали.

Датчик тока катушки L2 помещают в магнитопровод из двух чашек Ч14 из феррита той же марки, что и катушка L1, и такой же диэлектрической прокладкой. Для обмотки используют провод ПЭЛ 0,5 длиной 700 мм, пропитывать лаком ее не обязательно. Эту катушку можно изготовить и иначе, намотав провод указанных диаметра и длины на стандартный дроссель ДПМ-0,6, однако эффективность подавления импульсов на частоте преобразования в этом случае несколько снизится.

Стабилизатор собирают на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 3.

В случае, если ИСН будет использоваться при максимальном токе нагрузки, транзистор VT3 необходимо установить на теплоотводе в виде алюминиевой пластины площадью 100 м2 и толщиной 1,5...2 мм. Если же предполагается долговременная работа устройства в режиме источника тока или короткого замыкания, на этом же теплоотводе через изолирующую прокладку (например, слюдяную) закрепляют и коммутирующий диод VD1. При токах нагрузки менее 1 А теплоотвод для транзистора VT3 и диода VD1 не потребуется, однако в этом случае ток срабатывания защиты необходимо уменьшить до 1,2 А, заменив катушку L2 резистором С5-16 сопротивлением 0,33 Ом и мощностью 1 Вт.

В налаживании описанный ИСН практически не нуждается. Возможно, однако, придется уточнить ток срабатывания защиты, для чего провод катушки L2 следует взять изначально большей длины. Припаяв его к соответствующим контактам платы, постепенно укорачивают до получения необходимого тока срабатывания защиты, а затем наматывают описанным выше способом катушку L2.

Использовать стабилизатор при токах нагрузки более 4 А не следует. Ограничение связано в основном с максимально-допустимым импульсным током коллектора транзистора серии КТ805 (8 А при tимп < 200 мс при Q=1,5), что, в принципе, может иметь место при неблагоприятных условиях.

Автор: А.Москвин, г.Екатеринбург

Источник: www.diagram.com.ua