В современных источниках питания для получения необходимого выходного напряжения используется импульсное преобразование первичного напряжения. Однако часто выходное напряжение импульсных источников бывает слишком зашумлено, и не может использоваться для питания чувствительных аналоговых схем. В таких случаях предпочтительнее использовать линейные источники питания.
Общепринятый подход к конструированию таких источников иллюстрируется схемой на Рисунке 1. Нестабилизированное напряжение, превышающее требуемое выходное, подключено к входу VIN, а последовательный проходной транзистор Q1 снижает это напряжение до требуемого на выходе уровня VOUT. Усилитель ошибки IC1 сравнивает часть напряжения VOUT с опорным напряжением VR и управляет транзистором Q1 таким образом, чтобы поддерживать выходное напряжение неизменным, независимо от тока нагрузки IOUT и вариаций входного напряжения VIN. Такие схемы годятся только для узкого диапазона выходных напряжений.
 |
|
| Рисунок 1. | В обычном линейном стабилизаторе напряжения обратная связь подключена непосредственно к последовательному проходному транзистору Q1. |
Если же выходное напряжение необходимо регулировать в широких пределах, как, например, в лабораторных источниках питания, сопротивление резистора RQ1 придется сделать достаточно низким, чтобы обеспечивать необходимый ток базы транзистора Q1 в верхней части выходного диапазона. Однако при этом вся избыточная мощность, выделяющаяся при снижении выходного напряжения, будет рассеиваться на этом резисторе и транзисторе Q3. Кроме того, транзистор Q3 должен будет выдерживать максимальное напряжение VIN.
Этих недостатков лишена схема, показанная на Рисунке 2. В ней для получения изолированной копии сетевого напряжения используются стандартные 10-ваттные трансформаторы 220 В/6 В (T1 и T2). Эта копия удваивается и выпрямляется диодно-емкостным умножителем на элементах D1, D2, C1 и C2, в результате чего входное напряжение 220 В (VM) преобразуется в переменное напряжение VIN, равное примерно 560 В. Так же, как и в стандартном включении на Рисунке 1, для снижения и стабилизации входного напряжения VIN используется последовательный проходной транзистор Q1 (BU508A), а микросхема IC1 сравнивает поделенное напряжение VOUT с напряжением VR. Потенциометром R3 устанавливается напряжение VR, управляющее выходным напряжением VOUT в соответствии с выражением
где RF = RF1 + RF2 … RFn.
При последовательном включении десяти резисторов по 1 МОм, образующих верхнее плечо делителя RF, и максимальном опорном напряжении 5 В выходное напряжение можно регулировать в пределах от 0 до 505 В. Операционный усилитель OPA364 имеет rail-to-rail вход, позволяющий ему надлежащим образом управлять схемой при изменении VR от 0 до 5 В, отдавая в нагрузку ток до 40 мА.
 |
|
| Рисунок 2. | Оптическая развязка изолирует выход операционного усилителя от высокого напряжения на транзисторе Q1. |
Для снижения мощности, рассеиваемой на проходном транзисторе, и расширения диапазона выходных напряжений использовано нетрадиционное включение управляющего транзистора Q1 с оптической изоляцией. Два работающих в фотогальваническом режиме фотодиода FD1 и FD2 управляют базовым током транзистора Q1. Свет, падающий на фотодиоды, генерирует ток, текущий в базу Q1.
Максимального напряжения одного фотодиода, работающего в вентильном режиме, для открывания транзистора недостаточно, поэтому в схеме последовательно включены два фотодиода. Используются инфракрасные (ИК) фотодиоды с рабочей длиной волны от 870 нм до 950 нм, которые освещаются двумя ИК-светодиодами LD1 и LD2. Светодиоды имеют стандартные 5-миллиметровые пластмассовые корпуса. Для того, чтобы увеличить коэффициент передачи тока, срежьте верхние части светодиодов, а затем отшлифуйте и отполируйте их до получения плоской гладкой поверхности. Расположите фотодиоды в непосредственной близости к созданным поверхностям. Коэффициент передачи такого самодельного оптрона равен примерно 0.05. (Это означает, что если через входной светодиод протекает ток 20 мА, ток фотодиода будет равен 1 мА). Вы также можете использовать промышленные линейные оптоизоляторы, например, IL300, в корпусе которого размещены два фотодиода. Его коэффициент передачи, равный примерно 0.007, очень мал, поэтому вам придется включить несколько таких компонентов параллельно.
Цепь ограничения тока, состоящая из элементов Q2 и R2, просто закорачивает фотодиоды FD1 и FD2, когда выходной ток достигает значения, при котором падение напряжения на R2 открывает Q2, причем порог ограничения не зависит от выходного напряжения. Конденсатор C6 добавлен для частотной коррекции усилителя, а транзистор Q1 необходимо установить на радиатор с тепловым сопротивлением не хуже 5 °C/Вт. Для питания операционного усилителя и источника опорного напряжения используется взятое между двумя трансформаторами переменное напряжение, выпрямленное диодным мостом BR1 (50 В, 1 А), а затем сглаженное и стабилизированное конденсаторами C7, C8 и регулятором IC2 (LM7805). Чтобы добавить возможность отключения выходного напряжения, можно сделать простую схему, закорачивающую конденсатор C5, в результате чего напряжение VR становилось бы равным нулю.
Те, кто проживает в регионах с сетевым напряжением 110 В, могут использовать трансформаторы, доступные в местных магазинах, но чтобы сохранить верхний предел регулировки равным 500 В, придется сделать некоторую доработку схемы, добавив еще один трансформатор T3 (такой же, как T1 и T2 – 110 В/6 В, 10 Вт), и включив его таким образом, чтобы низковольтные обмотки T2 и T3 были соединены параллельно, а высоковольтные – последовательно. Работу высоковольтных обмоток следует проверять с помощью вольтметра переменного тока; при нулевых показаниях прибора концы обмоток T3 необходимо поменять местами. Если же трансформаторы 220 В/6 В тоже доступны, на месте T2 оставьте 220 В/6 В, а в качестве T1 используйте 110 В/6 В.
Замечание редактора EDN
Напряжение 500 В при токе в несколько миллиампер может быть смертельно опасным. Соблюдайте осторожность при монтаже, проверке и использовании схемы.
Купить OPA364 на РадиоЛоцман.Цены
