Двуполярный стабилизатор на ОУ и мощных полевых транзисторах с токовой защитой. Часть 1

Infineon IRF1405 IRF3205 IRFB3306

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2018

Алексей Кузьминов, Москва

В статье приведены принципиальные схемы, разводка плат и фотографии двуполярного стабилизатора напряжений ±14 В с максимальным током 9.5 А на базе ОУ MC34072/MC33072 и мощных n-канальных полевых транзисторов IRF3205/IRF1405 с защитой по току, а также конструкция источника питания на их основе. Использование для питания ОУ помимо входного напряжения одного стабилизатора, еще и входного напряжения другого, то есть суммы двух входных напряжений, и стабилизация полученного напряжения простейшими микросхемами стабилизаторов 78L24/79L24, позволили кардинально снизить размах пульсаций выходного напряжения стабилизаторов до значений менее 0.5 мВ при токе 9.5 А. А простота схем, применение компонентов для поверхностного монтажа и ОУ в сверхминиатюрном корпусе привели к несложной разводке и, как результат, – к миниатюризации платы устройства, имеющей размер всего 16×40 мм.

Введение

Применение в стабилизаторах напряжения мощных полевых транзисторов, несмотря на их неоспоримые преимущества – ультранизкое сопротивление открытого канала (единицы миллиом), позволяющее получить сверхмалое падение напряжения между входным и выходным напряжением (десятые доли вольта), большие токи (сотни ампер), низкая стоимость (особенно n-канальных транзисторов), – как известно, сопряжено с решением одной проблемы, связанной с высоким пороговым напряжением (2 – 5 В), которое требуется подать на затвор, чтобы открыть транзистор. Если, например, в стабилизаторе положительного напряжения на n-канальном транзисторе входное напряжение подается на сток, выходное снимается с истока, а затвором управляет ОУ, то при малом падении напряжения стабилизатора (между истоком и стоком транзистора) ОУ должен подать на затвор напряжение на 2 – 5 В выше истока, а значит и выше стока, то есть выше входного напряжения. Но где его взять, если кроме входного другого напряжения нет? К каким только ухищрениям не прибегают, чтобы получить напряжение выше входного: используют дополнительную обмотку трансформатора и выпрямитель на ее основе, различные схемы повышения входного напряжения, основанные на умножителях напряжения, а в некоторые современные микросхемы стабилизаторов даже встраивают DC/DC преобразователи.

Применяют и другие схемные решения. Например, в стабилизаторе положительного напряжения может быть использован «перевернутый» p-канальный транзистор: входное напряжение подают на исток, выходное снимают со стока, и в этом случае для открытия транзистора ОУ должен подать на затвор напряжение не выше входного, а ниже на те же 2 – 5 В. При питании входным напряжением ОУ с этим справляется легко, однако при малых токах, или вообще при нулевых (при отсутствии нагрузки), когда требуется существенно прикрыть (или вообще закрыть транзистор), а значит, подать на его затвор напряжение, равное напряжению истока, то есть входному напряжению (или даже немного выше), ОУ с этим справиться уже не может, поскольку его выходное напряжение всегда ниже напряжения питания на 1 – 1.5 В. Другими словами, для идеальной работы ОУ в таких схемах напряжение его питания опять должно быть выше входного. Эта проблема частично снимается применением rail-to-rail ОУ, транзисторов с очень высоким порогом открытия (до 5.5 В), подключением к выходу стабилизатора дополнительных резисторов (чтобы не закрывать транзистор до конца). Но даже в этом случае при сравнительно больших токах, когда входное напряжение существенно падает, в ОУ возникает паразитная генерация в несколько килогерц, избавиться от которой довольно трудно.

Если же требуется двуполярный стабилизатор, то используют вышеупомянутые схемы с их недостатками.

Автор задался вопросом: а нельзя ли в двуполярном стабилизаторе использовать для питания ОУ, помимо входного напряжения стабилизатора, еще и входное напряжение другого стабилизатора, а в другом – входное первого? Как показал результат такого эксперимента, оказывается, можно. Мало того, автор получил такой низкий уровень размаха пульсаций выходного напряжения стабилизаторов при больших токах, какого даже не ожидал.

Дальнейшее изложение будет построено следующим образом. Вначале будут приведены известные упрощенные схемы стабилизаторов на ОУ и полевых транзисторах, затем уже принципиальные схемы на них основанные, далее будет дана разводка плат стабилизаторов, их фотографии и конструкция источника питания (ИП) на базе двуполярного стабилизатора. После этого будут приведены результаты испытаний стабилизаторов и, в частности, осциллограммы пульсаций выходных напряжений. В конце статьи будут подытожены выходные параметры стабилизаторов.

Упрощенные схемы

На Рисунке 1 показаны четыре варианта упрощенных схем стабилизаторов на базе ОУ и мощных полевых транзисторов.

Упрощенные схемы стабилизаторов положительного (а, б) и отрицательного (в, г) напряжений.
Рисунок 1. Упрощенные схемы стабилизаторов положительного
(а, б) и отрицательного (в, г) напряжений.

Принцип действия стабилизатора на Рисунке 1а заключается в следующем. На сток n-канального полевого транзистора подается входное напряжение UВХ, а стабилизированное выходное напряжение UВЫХ снимается с истока, потенциал которого всегда ниже потенциала стока. Таким образом, в этой схеме транзистор работает в штатном режиме. ОУ сравнивает образцовое напряжение VREF, поданное на его неинвертирующий вход, с частью выходного, снятого с делителя R, поданного на его инвертирующий вход, и равного VREF при заданном UВЫХ. Своим выходным напряжением ОУ воздействует на затвор транзистора таким образом, чтобы напряжение, снятое с делителя, всегда равнялось бы VREF независимо от входного напряжения и тока нагрузки. Например, при увеличении тока нагрузки выходное напряжение падает, в связи с чем падает и напряжение, снятое с делителя, а поскольку оно подано на инвертирующий вход ОУ, выходное напряжение ОУ увеличивается, отчего потенциал затвора повышается, и транзистор приоткрывается, восстанавливая выходное напряжение до прежнего уровня. Особенностью и основным недостатком этой схемы является тот факт, что напряжение затвора, при котором транзистор начинает открываться, всегда выше напряжения истока на 2 – 5 В. Поэтому, если положительное напряжение питания ОУ взято с входного напряжения, то оно должно быть всегда выше входного еще на несколько вольт, то есть еще на несколько вольт больше, чем 2 – 5 В, что недопустимо много. Но если другого напряжения, кроме входного, нет, то этой схемой пользоваться просто нельзя. А если есть? Тогда можно (и нужно!), и это как раз является одной из особенностей описываемых в статье стабилизаторов. Преимуществом схемы является использование в ней мощного n-канального полевого транзистора, который при прочих равных условиях в 2 – 5 раз дешевле p-канального. Кроме того, мощные n-канальные транзисторы в несколько раз более распространены, чем p-канальные и, наконец, n-канальные транзисторы по некоторым параметрам имеют недостижимые p-канальными транзисторами характеристики. Например, ультранизкого сопротивления открытого канала, доходящего до 2.4 мОм (IRFB3206), или огромной крутизны, минимальное значение которой 230 См (IRFB3306), у p-канальных транзисторов просто не бывает. Хотя по стоимости (около 1$) эти транзисторы (IRFB3206, IRFB3306) не превышают стоимости самых современных p-канальных транзисторов.

На Рисунке 1в показана упрощенная схема стабилизатора отрицательного напряжения, которая является «зеркальной» по отношению к схеме Рисунок 1а и работает аналогично (только для отрицательного напряжения), поэтому, на взгляд автора, в объяснении не нуждается. Дополнительным недостатком этой схемы является использование в ней p-канального полевого транзистора.

На Рисунке 1б показана еще одна схема стабилизатора положительного напряжения. В схеме используется p-канальный транзистор, который «перевернут» по сравнению со схемой Рисунок 1а, то есть входное напряжение подается на исток, а выходное снимается со стока. Поскольку выходное напряжение всегда ниже входного, и потенциал стока всегда отрицателен по отношению к истоку, транзистор здесь работает в штатном режиме. Однако логика работы этого стабилизатора иная. Как видно из схемы, образцовое напряжение VREF подается на инвертирующий вход ОУ, а часть входного, снятого с делителя R, – на неинвертирующий. При возрастании тока нагрузки выходное напряжение падает, отчего падает и напряжение, снятое с делителя, а поскольку оно подано на неинвертирующий вход ОУ, его выходное напряжение, поданное на затвор транзистора, снижается, то есть становится более отрицательным по отношению к истоку, поэтому транзистор приоткрывается, восстанавливая выходное напряжение до прежнего уровня. Основным достоинством схемы является тот факт, что напряжение, подаваемое на затвор, всегда ниже напряжения истока (то есть входного напряжения) на вышеупомянутые 2 – 5 В, поэтому, если положительное напряжение питания ОУ взять с входного напряжения, эта схема будет работать, поскольку подать на затвор напряжение на 2 – 5 В ниже входного для ОУ «не составит никакого труда». Другими словами, ОУ легко открывает транзистор. Однако для закрытия транзистора на затвор требуется подать нулевое напряжение по отношению к истоку, то есть близкое к входному напряжению (или к положительному напряжению питания ОУ). Не каждый ОУ на это способен. Стандартный ОУ (не rail-to-rail) может выдать со своего выхода напряжение всегда ниже положительного напряжения питания на 0.8 – 1.5 В. Поэтому, например, при отсутствии нагрузки, когда выходной ток мал и транзистор требуется существенно прикрыть, то есть подать на затвор напряжение близкое к положительному напряжению питания ОУ, а ОУ «не дотягивает» до нужного напряжения, возникает паразитная генерация частотой в несколько килогерц и амплитудой в несколько вольт. Избавиться от этой генерации можно несколькими способами, среди которых, например, подключение к выходу стабилизатора дополнительного нагрузочного резистора (чтобы транзистор не закрывать до конца), увеличение емкости выходных конденсаторов и др. К дополнительным недостаткам схемы можно также отнести применение в ней p-канального полевого транзистора (об этом уже упоминалось).

На Рисунке 1г приведена упрощенная схема стабилизатора отрицательного напряжения, «зеркальная» относительно схемы Рисунок 1б. По той же причине, что и для схемы Рисунок 1в, ее работа объясняться не будет. Однако эта схема по сравнению со схемой Рисунок 1б обладает рядом преимуществ. Во-первых, большинство стандартных ОУ способно воспроизвести выходное напряжение, отличающееся от отрицательного напряжения питания всего на 0.1 В (в том числе и тот ОУ, который используется в настоящей статье – см. далее). Поэтому, если использовать в этой схеме n-канальный транзистор с высоким значением порога открытия, например, IRFB4710, у которого этот порог достигает 5.5 В, то ОУ способен полностью закрыть этот транзистор даже при отсутствии нагрузки. В работах автора [1, 3] как раз и использовалась подобная схема, которая показала неплохой результат работы. Дополнительным преимуществом схемы является использование в ней n-канального транзистора. К недостаткам схемы можно отнести только возможность возникновения паразитной генерации при самых максимальных токах, когда входное напряжение снижается настолько, что не превышает выходное на доли вольта. Но в таком режиме работы, как правило, уже срабатывает защита (если, конечно, она включена в схему), и этот недостаток становится не таким существенным.

Таким образом, из всех четырех упрощенных схем на Рисунке 1 наибольшими преимуществами обладают схемы (а) и (г). При этом, как уже упоминалось, схема (а) неработоспособна, если имеется только одно входное напряжение UВХ, а схема (г) при снижении UВХ до определенного предела (при больших токах) склонна к паразитной генерации частотой в несколько килогерц.

Здесь следует сделать некоторое отступление относительно выпрямительных схем, использующихся в двуполярных стабилизаторах.

Наиболее часто встречающаяся схема использует вторичную обмотку трансформатора с отводом от средней точки и две полумостовых схемы выпрямления по каждому из напряжений (положительному и отрицательному). Такая схема (ввиду простоты она не приводится) использует по два выпрямительных диода для каждой из полумостовых схем выпрямления, поэтому общее число диодов – четыре, что является несомненным преимуществом. Поскольку, как правило, трансформатор поставляется с двумя идентичными вторичными обмотками (а не с одной с отводом от средней точки), в подобной схеме выпрямления конец одной из обмоток соединяют с началом другой – это и есть средняя точка.

Реже встречается полномостовая схема выпрямления по каждому из напряжений двух вторичных обмоток, которая использует уже по 4 диода для каждого напряжения, и общее количество диодов равно 8, то есть в два раза больше чем первая. Хотя двукратное количество диодов является некоторым недостатком такой схемы выпрямления, из ее свойств можно извлечь одну очень интересную особенность, которая заключается в том, что оба выпрямленных напряжения изолированы друг от друга.

Теперь вернемся к прерванной последовательности изложения. На Рисунке 2 как раз и приведена схема выпрямления, состоящая из двух полномостовых выпрямителей по каждому из выпрямленных напряжений, изолированных друг от друга. В нижней части схемы, как можно заметить, используется стабилизатор положительного напряжения по схеме Рисунок 1а, а в верхней – стабилизатор отрицательного напряжения по схеме Рисунок 1г (он перевернут вертикально). Если объединить и заземлить выходы обоих стабилизаторов (а это можно сделать, так как оба выпрямленных напряжения изолированы), то получим двуполярный стабилизатор. Основная особенность такого двуполярного стабилизатора состоит в том, что для питания ОУ одного стабилизатора можно воспользоваться дополнительным выпрямленным напряжением другого, стабилизировав это напряжение простейшими микросхемами стабилизаторов 78L24/79L24. В этом случае недостатки стабилизаторов Рисунки 1а и 1г, о которых было упомянуто выше, снимаются, ОУ получает полноценное (повышенное) питание, независящее от входного напряжения соответствующего стабилизатора. Получив такое питание, ОУ нижнего по схеме Рисунок 2 стабилизатора (положительного напряжения) может подать на затвор VT2 напряжение на 7-8 В выше входного напряжения, и поэтому легко его открыть, а ОУ верхнего – подать на затвор VT1 напряжение, близкое к нулю, и даже немного отрицательное, и, таким образом, полностью его закрыть, а, главное – исключить паразитную генерацию даже при сниженном входном напряжении.

Упрощенная схема двуполярного стабилизатора.
Рисунок 2. Упрощенная схема двуполярного стабилизатора.

Здесь следует отметить, что идея такого дополнительного питания стабилизаторов не нова. Впервые, насколько это известно автору, такая идея использовалась в работе [6] для питания стабилизатора, основанного на дискретных компонентах (то есть без применения микросхем), где в качестве силовых использовались биполярные транзисторы.

В работе [7] в схеме стабилизаторов, основанной также на дискретных компонентах, использовались уже полевые транзисторы, однако сложность схемы привела к тому, что плата стабилизаторов получилась просто огромной (175×80 мм), да еще с двусторонней разводкой, изготовить которую своими силами весьма проблематично. Забегая вперед, отметим, что плата описываемого здесь двуполярного стабилизатора имеет одностороннюю разводку и размер всего 40×16 мм. Такую плату легко изготовить своими силами (см. далее).

Для получения дополнительного питания (от другого стабилизатора) в работах [6] и [7] использовались стабилитроны с их токоограничительными резисторами, а на схеме Рисунок 2, как уже упоминалось, – микросхемы стабилизаторов 78L24/79L24. Применение указанных микросхем вместо стабилитронов с резисторами оправдано по следующим причинам. Во-первых, низкая стабильность напряжения стабилитронов не идет ни в какое сравнение с относительно высокой стабильностью выходного напряжения микросхем, во-вторых, как это ни странно, микросхема дешевле, чем полуваттный стабилитрон плюс полуваттный резистор (а меньшую их мощность использовать нельзя, так как это приведет к нагреву резистора и стабилитрона и большой вероятности выхода из его из строя), и, в-третьих, микросхемы занимают меньше места на плате.

На Рисунке 2 силовые проводники выделены жирным. Диоды VD1 – VD4 служат для начального запуска стабилизаторов при включении питания.

Теперь после таких подробных предварительных пояснений нетрудно понять и работу принципиальных схем.

Литература

  1. Кузьминов А. Усовершенствованные стабилизаторы напряжения с активным фильтром. – Радио, 2017, № 9, с. 18, 19.
  2. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя для мостового включения двух мощных ОУ. Часть 3. – Современная электроника, 2017, № 6, с. 74 – 80.
  3. Кузьминов А. Стабилизаторы на ОУ и мощных полевых транзисторах с активным электронным фильтром и защитой от превышения тока. Часть 2. – Современная электроника, 2018, № 1, с. 58 – 62.
  4. Кузьминов А. Изготовление устройств на печатных платах с высоким разрешением в домашних условиях. – Технологии в электронной промышленности, 2010, №8, с. 18 – 25; 2011, № 1, с. 9 – 13; № 2, с. 18 – 25.
  5. Кузьминов А. Технология изготовления печатных плат с высоким разрешением в любительских условиях. – Радио, 2017, № 10, с. 24 – 28.
  6. Орешкин В. Стабилизатор напряжения питания УМЗЧ. – Радио, 1987, № 8, с. 31.
  7. Муравцев М. Стабилизированный блок питания УМЗЧ. – Радио, 2017, № 2, с. 25 – 27; № 3, с. 17–19.
  8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.:  Мир. 1982.
  9. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. – М.: Мир. 1993.

Материалы по теме

  1. Datasheet Infineon IRF1405
  2. Datasheet Infineon IRF3205
  3. Datasheet Infineon IRFB3306
  4. Datasheet STMicroelectronics L78L
  5. Datasheet STMicroelectronics L79L
  6. Datasheet ON Semiconductor MC3x07x

Продолжение

Цена IRF1405IRF1405 на РадиоЛоцман.Цены — от 31,64 до 135 руб.
51 предложений от 27 поставщиков
MOSFET, N, 55V, 150A, TO-220; Transistor Type:MOSFET; Transistor Polarity:N; Voltage, Vds Typ:55V; Current, Id Cont:150A; Resistance, Rds On:0.0049ohm;…
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
Стандарт СИЗInfineonIRF1405PBF32 руб.
Электродеталь- ПоставкаInternational RectifierIRF1405PBF TO-220AB45 руб.
T-electronInfineonIRF1405PBF48 руб.
ЭлитанInfineonIRF140554 руб.
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя