Применение регулируемых интегральных линейных стабилизаторов напряжения, например LM317T, в блоках питания, имеющих широкий диапазон выходного напряжения, например от 1.5 В до 30 В, связано с трудностью, а зачастую и невозможностью обеспечить максимально допустимое паспортное значение тока в нагрузке 1.5 А в нижнем участке диапазона. Чтобы обеспечить ток в нагрузке 1.5 А, разность между входным и выходным напряжением для LM317T должна составлять не менее 3.5 В без учета пульсаций выпрямленного напряжения. Таким образом, минимальное входное напряжение должно составлять не менее 34 В.
При выходном напряжении 5 В и токе 1.5 А на регулирующем элементе стабилизатора должна рассеиваться мощность (34 В – 4 В) × 1.5 А = 45 Вт! Жизнь LM317T в этом режиме будет яркой, но недолгой.
В рамках этой статьи мы попытаемся найти простые схемотехнические решения для обеспечения работы линейных интегральных стабилизаторов в широком диапазоне выходных напряжений с током нагрузки до 1.5 А без применения громоздких радиаторов и достижения экстремальных температур кристалла.
Для того чтобы обеспечить оптимальную работу линейного стабилизатора во всем диапазоне допустимых выходных напряжений и токов, необходимо поддерживать примерное постоянство разности входных и выходных напряжений. При этом мощность, рассеиваемая регулирующим элементом, будет минимально возможной.
Так для LM317T при токе в нагрузке 1.5 А минимально возможная рассеиваемая мощность составит 4 В × 1.5 А = 6 Вт. Наша задача будет заключаться в том, чтобы обеспечить примерно такую рассеиваемую мощность в диапазоне выходных напряжений от 1.5 В до 25 В при токе 1.5 А.
Примечание. Не все noname микросхемы LM317T способны работать при входном напряжении выше 30 В, поэтому автор при написании этой статьи решил ограничить выходное напряжение максимумом в 25 В. Если читатель располагает оригинальными микросхемами, выходное напряжение можно поднять до паспортных значений.
Для решения этой задачи мы используем комбинированные стабилизаторы, реализующие последовательное включение импульсного и линейного стабилизаторов.
Импульсный стабилизатор предназначен для эффективного подавления пульсаций питающего выпрямленного напряжения и формирования выходного напряжения, обеспечивающего минимальную мощность рассеяния на линейном стабилизаторе.
То есть выходное напряжение импульсного стабилизатора должно превышать выходное напряжение линейного стабилизатора на фиксированную величину.
Переходим к практической реализации комбинированных стабилизаторов.
Первый вариант построения комбинированного стабилизатора на микросхемах LM2576 (LM2596) и LM317T изображен на Рисунке 1 и заключается в использовании сдвоенного переменного резистора, синхронно меняющего выходные напряжения импульсного и линейного стабилизатора с обеспечением необходимой разности между этими напряжениями.
 |
|
| Рисунок 1. | Комбинированный стабилизатор на микросхемах LM2576 (LM2596) и LM317T с использованием сдвоенного переменного резистора. |
На Рисунке 1 мы видим, что схема комбинированного стабилизатора содержит очень мало компонентов, самым дефицитным из которых является качественный сдвоенный переменный резистор R2 с номиналом 10 кОм. При указанных номиналах резисторов R1 и R3 импульсный стабилизатор DA1 формирует необходимый уровень напряжения для обеспечения минимума потерь на линейном стабилизаторе A1 во всем диапазоне выходных напряжений. На Рисунке 2 приведена осциллограмма синхронного изменения выходных напряжений импульсного и линейного стабилизаторов с соблюдением необходимого интервала между ними.
 |
|
| Рисунок 2. | Осциллограмма синхронного изменения выходных напряжений импульсного и линейного стабилизаторов. Ток нагрузки в точке максимума 1.45 А. |
Мы предполагаем, что читатель знаком с работой интегральных стабилизаторов LM2576 (LM2596) и LM317, поэтому переходим к рассмотрению следующего варианта построения комбинированного стабилизатора.
На Рисунке 3 изображен комбинированный стабилизатор, использующий для регулировки выходного напряжения только один переменный резистор.
 |
|
| Рисунок 3. | Комбинированный стабилизатор на микросхемах LM2576 (LM2596) и LM317T с одним переменным резистором. |
Операционный усилитель А1 типа LM358P используется для поддержания необходимой разности между входным и выходным напряжением линейного стабилизатора A2. Эта разность обеспечивается стабилитроном Z2. Питание A1 обеспечивает параметрический стабилизатор, так как входное напряжение комбинированного стабилизатора может превышать максимально допустимое для LM358P. Второй усилитель в данной схеме не задействован, но может быть использован в любых сервисных целях.
Примечание. При использовании в качестве линейного стабилизатора микросхемы LM317T автор настоятельно рекомендует использовать дополнительные методы защиты от перегрузки или короткого замыкания выхода. Рассчитывать на декларируемую защиту от перегрева и короткого замыкания не следует, поскольку у noname микросхем она практически не работает.
Рассмотрим еще один вариант построения комбинированного стабилизатора. В нем используются микросхемы интегральных стабилизаторов LM2576 (LM2596) и L200С, которые идеально подходят для совместной работы в комбинированных стабилизаторах по двум причинам:
- У обеих микросхем подложка соединена с общим проводом, что позволяет разместить их на общем радиаторе без изолирующих прокладок, благодаря чему резко уменьшается тепловое сопротивление «подложка – радиатор» и уровень индуктивных помех.
- У обеих микросхем резистор, регулирующий выходное напряжение, находится в верхнем плече, что позволяет строить идентичные по принципу работы схемы управления выходным напряжением.
На Рисунке 4 представлена принципиальная схема комбинированного стабилизатора на микросхемах LM2576 (LM2596) и L200C с существенным расширением функционала.
 |
|
| Рисунок 4. | Комбинированный стабилизатор на микросхемах LM2576 (LM2596) и L200С с выходным напряжением, управляемым внешним источником. |
Принцип формирования входного напряжения для линейного стабилизатора остался неизменным, в то время как для управления выходным напряжением используется внешний источник сигнала, например цифро-аналоговый преобразователь микроконтроллера. Для этой цели в нижнее плечо регулятора выходного напряжения линейного стабилизатора включен источник втекающего тока, реализованный на операционном усилителе А1-2 и транзисторе VT1.
Зависимость выходного напряжения от управляющего напряжения с достаточной для практики точностью описывается простейшим линейным уравнением вида:
UOUT =k × UCNT + UREF,
где:
UOUT – выходное напряжение линейного стабилизатора,
UCNT – управляющее напряжение,
UREF – опорное напряжение линейного стабилизатора,
k – коэффициент пропорциональности между выходным и управляющим напряжением.
При указанных на схеме сопротивлениях резисторов R8 и R7 коэффициент пропорциональности равен 10. То есть, подав на управляющий вход напряжение 1 В, на выходе получим 1 × 10 + 2.77 = 12.77 (В).
С целью повышения стабильности преобразования управляющего напряжения в ток, можно в качестве VT1 использовать полевой транзистор, например 2N7000.
Возможность внешнего управления превращает такой комбинированный стабилизатор в мощный усилитель постоянного тока. Внешнее управление позволяет получить на выходе стабилизатора положительное напряжение любой формы. На Рисунке 5 показан выходной сигнал треугольной формы. По ссылке в конце статьи можно загрузить видео, в котором приводятся и другие формы напряжения на выходе стабилизатора.
 |
|
| Рисунок 5. | Осциллограмма синхронного изменения выходных напряжений импульсного и линейного стабилизаторов при подаче на управляющий вход напряжения треугольной формы. Ток нагрузки в точке максимума 1.45 А. |
Для увеличения устойчивости и улучшения фильтрации помех усилитель А1 охвачен частотно-зависимой обратной связью (R2С2). Резистор R2 уменьшает усиление в петле обратной связи, повышая устойчивость, а конденсатор С2 определяет степень подавления пульсаций. При повторении этого варианта комбинированного стабилизатора величины этих элементов следует подобрать экспериментально для получения наилучших результатов.
Пульсации и шумы на выходе комбинированного стабилизатора полностью определяются компоновкой и качеством монтажа.
При оптимальной компоновке комбинированного стабилизатора пульсации и наведенные шумы на выходе не превышают 10 мВ. На Рисунке 6 приведены осциллограммы пульсаций напряжения на выходе импульсного стабилизатора (верхний луч) и на выходе линейного стабилизатора (нижний луч).
 |
|
| Рисунок 6. | Осциллограммы пульсаций напряжения на выходе импульсного стабилизатора (верхний луч) и на выходе линейного стабилизатора (нижний луч). Ток нагрузки 0.75 А. |
Осциллограммы снимались на макете, силовая часть которого выполнена навесным монтажом, чем, собственно, и объясняется высокий уровень наведенных на щупы осциллографа помех. При закорачивании щупов на общий провод уровень наведенных помех остается примерно таким же.
Важно! Стабилизатор, выполненный по схеме на Рисунке 4, весьма устойчив при перегрузке и коротких замыканиях выхода, так как на линейном стабилизаторе поддерживается фиксированное напряжение между входом и выходом. Однако режим стабилизации максимально допустимого тока, определяемого сопротивлением резистора R9 (в нашем случае это 3 А), не является штатным для стабилизатора напряжения и вызовет быстрый перегрев микросхемы A2. Несмотря на встроенную в L200C защиту от перегрева, автор рекомендует использовать дополнительную тепловую защиту в виде биметаллического теплового реле типа КSD-01F 60° в корпусе ТО220, установленного на общий радиатор между микросхемами DA1 и A2, контакты которого в случае нагрева радиатора выше 60 °С разрывали бы цепь между общим проводом и управляющим выводом 5 микросхемы DA1, обесточивая таким образом линейный стабилизатор.
Заключение
Все приведенные схемы проверены многолетней практикой использования в конструкциях автора. Некоторые сохранившиеся макеты комбинированных стабилизаторов, протестированных в ходе написания статьи, показаны в прилагаемом видео.
Дополнительным бонусом приведенных выше схем является возможность получения регулируемого напряжения с выхода импульсного стабилизатора для случаев, когда уровень пульсаций и шумов не имеет особого значения.
Справедливости ради необходимо отметить, что идею формирования фиксированного напряжения на линейном стабилизаторе при помощи стабилитрона автор почерпнул из англоязычной литературы еще в студенческие годы. За давностью лет указать источник не представляется возможным.
Приведенными в статье схемотехническими решениями отнюдь не исчерпываются варианты построения комбинированных стабилизаторов. Внимательное изучение даташитов на различные микросхемы линейных и импульсных стабилизаторов позволит строить разнообразные комбинированные источники питания, в том числе и очень мощные, зарядные устройства и множество других приборов, полезных в лабораторной практике и быту.
