Стабилизаторы напряжения на полевых транзисторах: схема включения и регулировки

Вопросы и ответы

Вспомогательная информация

  • Биполярные транзисторы: текущее зеркало
  • Схемы на дискретных полупроводниковых элементах: токовые зеркала
  • Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Что за источник тока?

Источники постоянного тока занимают видное место в задачах анализа цепей и теории цепей, а затем они, кажется, более или менее исчезают .. если вы не разработчик микросхем. Хотя это редко встречается в типичных конструкциях печатных плат, источники тока распространены в аналоговом мире. Это связано с тем, что они используются 1) для перемещения и 2) в качестве резистивных нагрузок.

  • Смещение: Транзисторы, работающие как линейные усилители, должны быть смещены, чтобы работать в пределах правильной части передаточной характеристики. Лучший способ реализовать это в контексте проектирования ИС — обеспечить протекание заданного тока через сток транзистора (для полевого МОП-транзистора) или коллектор (для биполярного транзистора).

Этот заданный ток должен быть стабильным и независимым от напряжения на компоненте источника тока. Конечно, никакая реальная схема никогда не будет абсолютно стабильной или полностью невосприимчивой к изменениям напряжения, но, как это обычно бывает в технике, совершенство не является абсолютно необходимым.

  • Резистивные нагрузки: схемы усилителей могут использовать источники тока вместо резисторов коллектора/стока. Эти «резистивные нагрузки» обеспечивают более высокий коэффициент усиления по напряжению и позволяют схеме нормально функционировать при более низком напряжении питания. Кроме того, в технологии производства микросхем предпочтение отдается транзисторам, а не резисторам.

Схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

На мой взгляд, это удивительно просто — два NMOS-транзистора и резистор. Давайте посмотрим, как это работает.

Как видите, сток Q1 закорочен на затвор. Это означает, что Vgate = Vdrain (VG = VD) и, следовательно, Vgate-drain = 0 В (VGD = 0 В). Итак, Q1 находится в области отсечки, области триода или области насыщения?

Его нельзя зафиксировать, потому что, если ток через канал не течет, напряжение затвора будет равно напряжению питания (VDD) и, следовательно, Vgate-to-source (VGS) будет больше, чем пороговое напряжение Vthreshold (мы можем безопасно предположим, что VDD выше, чем Vthreshold).

Это означает, что Q1 всегда будет находиться в режиме насыщения (также называемом «активным» режимом), поскольку Vзатвор-сток = 0 В, и один из способов выразить состояние насыщения MOSFET состоит в том, что Vзатвор-сток должен быть меньше Vthreshold.

Если мы вспомним, что через затвор MOSFET не протекает постоянный ток, мы увидим, что опорный ток Iref будет равен току стока Q1. Мы можем отрегулировать значение этого опорного тока, выбрав правильное значение установочного резистора Rset. Какое отношение все это имеет к Q2?

На данный момент мы игнорируем модуляцию длины канала; поэтому, как показывает формула, ток стока не зависит от напряжения сток-исток. Теперь обратите внимание, что истоки обоих полевых транзисторов подключены к земле, а их затворы закорочены — другими словами, оба имеют одинаковое напряжение между затвором и истоком.

Предполагая, что оба устройства имеют одинаковые размеры каналов, их токи стока будут одинаковыми, независимо от напряжения стока транзистора Q2. Это напряжение обозначается как Vit, что означает напряжение на компоненте источника тока; это помогает напомнить нам, что Q2, как и любой источник тока с хорошими характеристиками, генерирует ток смещения, который не зависит от напряжения на его выводах. Другими словами, Q2 имеет бесконечное выходное сопротивление

В этих условиях ток никогда не протекает через выходное сопротивление Rвых, даже если Viт очень велико. Это означает, что ток смещения всегда точно равен опорному току.

Обычное название этой схемы — «токовое зеркало». Вы, наверное, понимаете, почему — ток, генерируемый правым транзистором, является зеркальным отражением (т.е равен) опорному току, протекающему через левый транзистор. Это имя особенно подходит, когда вы рассматриваете визуальную симметрию, показанную представлением типовой диаграммы.

Кстати, в старых микросхемах часто требовался внешний резистор для Rset. Однако теперь производители используют встроенные резисторы, которые подстраиваются при производстве для достижения достаточной точности.

Важность пребывания транзистора в режиме насыщения

Первой серьезной проблемой этого идеализированного анализа этой схемы является тот факт, что все разваливается, когда транзистор не находится в состоянии насыщения. Если Q2 находится в диапазоне триода (т е линейном), ток стока будет сильно зависеть от напряжения сток-исток (VDS).

Другими словами, у нас больше нет источника тока, потому что Vit влияет на ток смещения. Мы знаем, что напряжение затвор-сток Q2 должно быть меньше порогового напряжения, чтобы поддерживать насыщение.

Другими словами, Q2 выйдет из состояния насыщения, когда напряжение стока на Vтерскельвольт ниже напряжения затвора. Мы не можем дать точное число, потому что и напряжение затвора, и пороговое напряжение будут варьироваться от одной реализации к другой.

Пример: напряжение затвора, необходимое для создания требуемого напряжения смещения, составляет около 0,9 В, а пороговое напряжение равно 0,6 В; это означает, что мы можем поддерживать насыщение до тех пор, пока Vit остается выше ~0,3 В.

Испытание

Пазы были нарисованы маркером, поэтому плата немного отличается от дизайна, крепления для шурупов не делались. Подключаем прибор к источнику питания (у меня был трансформатор на 12В с диодным мостом и конденсатором), теперь зная что ток относительно небольшой я тупо закрыл выход амперметром рассчитанным на измерение постоянного тока до 20А, т.е показания ниже:

Это достаточный результат для такой схемы. Затем по очереди подключались два светодиода мощностью 10 Вт с разным напряжением питания. Для светодиода с одним чипом напряжение Uвых = 2,72 В при токе Iвых = 0,31 А, а на входе Uпит = 10,88 В, т.е разброс:

P1 = (Up — Uвых)*Iвых = (10,88-2,72)*0,31 = 8,16*0,31 = 2,53 Вт

Для второго светодиода, где последовательно соединены три кристалла Uвых = 10,32 В, Iвых = 0,29 А при Uпит = 11,22 В, получаем:

P2 = (Up — Uвых)*Iвых = (11,22-10,32)*0,31 = 0,9*0,31 = 0,279 Вт

Когда входное напряжение как можно меньше отклоняется от желаемого напряжения питания для обеспечения требуемого тока, достигается высокий КПД (со вторым светодиодом η = 92%) при простой конструкции.

Заменяем резистор, определяющий выходной ток источника тока, на 470 Ом, и получаем выходной ток:

Iвых = UБЕ/R2 = 0,6/471 = 1276 мкА

Проверка амперметром:

Таким образом, при питании от 12 В подключаем светодиод 5 мм, через него проходит ток ~1,3 мА, через два/три светодиода ток будет таким же, т.к напряжения питания для этого достаточно.

Также я сделал небольшой график зависимости стабильного выходного тока от напряжения питания стабилизатора питания. Сначала достигается номинальный ток (когда напряжения питания недостаточно для Ist), а затем все нормально, при трехкратном изменении напряжения (от 10 до 30 В) ток изменяется всего на 0,64 мА или 4,22%.

Увеличение стабильности

В процессе работы часть энергии рассеивается, плата и элементы схемы нагреваются, параметры плавают, а самое главное меняется напряжение насыщения (UBE) транзистора VT2, то же ~0,7 В будет меняться, что приведет к изменение выходного тока.

ТКВ (Температурный коэффициент напряжения) p-n перехода транзистора отрицательный, с повышением температуры UBE будет уменьшаться. Для термостабилизации вводим дополнительный элемент с положительным ТКН — стабилитрон (с Uст > 6,5 В), поэтому при его нагреве напряжение на одном компоненте (VT2) будет уменьшаться, а на другом (D1) будет увеличиваются, таким образом достигается компенсация.

В идеале ТЗ у обоих устройств должны быть равны по величине и противоположны по знаку, а нагрев должен происходить одинаково (поэтому их и размещают на плате рядом).

Также добавлен еще один транзистор VT3, выполняющий роль источника тока для VT2, что обеспечит еще большую стабильность, так как при изменении напряжения питания в определенном диапазоне ток базы VT2 практически не изменится.

Печатные платы

Все умещается на небольшом кусочке (3 х 2 см) фольгированного текстолита, тепло снимается путем прикрепления всей платы к куску алюминия с помощью винтов, она разработана с креплениями М2 для легкого и надежного крепления или просто приклеивается к радиаторам клеем (Звезды 922) . При необходимости его легко можно уменьшить почти в два раза в два раза.

Принцип стабилизации тока

Назначение специальной схемы — регулировать подачу питания в автоматическом режиме для поддержания стабильных параметров цепей нагрузки. Основной компонент — достаточно мощный полупроводниковый прибор, ограничитель тока на выходе блока питания.

Требования к управляющему элементу

Критерии выбора можно сформулировать, если известны параметры силы тока (ампер). Но даже без конкретного технического задания легко перечислить основные требования:

  • ток в цепи управления поддерживается с определенной точностью;
  • колебания потребляемой мощности должны компенсироваться;
  • корректирующие изменения необходимо вносить достаточно быстро;
  • для автоматической настройки оптимального режима и улучшения защиты от помех необходима обратная связь.

Суть стабилизации

Для уточнения функциональности управляющего элемента необходимо отметить характеристики типичной нагрузки. Интенсивность излучения светодиода, например, существенно зависит от температуры во время работы. Соответственно изменяется потребляемая мощность. При увеличении тока напряжение уменьшается.

Важно! Если установить обратную связь (отрицательную), отмеченное изменение будет регулировать режим работы блока управления. В частности, когда напряжение между затвором и стоком полевого транзистора увеличивается, ток через исток уменьшается. Таким образом, без дополнительных действий обеспечивается стабилизация выходных параметров источника.

Выбор схемы включения

Работа электрического поля

На практике используются различные инженерные решения. В частности, производители предлагают импульсные блоки питания для подключения светодиодных ламп. Эти устройства выполняют свои функции с помощью преобразования частоты и модуляции сигнала. Для управления ключом установлены микросхемы. Дроссель используется для дозированного накопления энергии.

Для простоты в этой статье рассматривается линейная стабилизация. Устройства, выполненные по этой схеме, не создают сильных электромагнитных помех. В этом основное отличие от импульсных аналогов.

Работа стабилизаторов тока

Минимальное количество функциональных элементов в схемах этой категории предполагает приемлемую стоимость. При выборе этого варианта легко изучить режимы работы, функции настройки.

Особенности полевых структур

В радиоблоках этого типа p-n переходы размещены особым образом. Для регулирования протекания тока по центральному каналу изменяют напряжение и соответствующее электромагнитное поле. Разность потенциалов создается на стоке и затворе.

На рисунке показаны основные отличия по сравнению с биполярным транзистором. При использовании полевой структуры ток управления отсутствует, а входное сопротивление становится намного больше. При таком расположении устройство потребляет минимум энергии, но не способно обеспечить усиление сигнала. Но для решения заявленной проблемы (стабилизация) не обязательно повышать напряжение.

Принцип управления переходом

Канал формируется в области между зонами р-типа. Для прохождения тока создается разность потенциалов «сток-исток». Переход управляется изменением напряжения затвор-исток — узи.

Устройство и работа полевого транзистора

Для изучения функциональности полевого транзистора можно рассмотреть две принципиальные схемы. В первом варианте исток и затвор соединены проводником, уравнивающим соответствующие потенциалы: Usi = 0. При увеличении напряжения Usi (сток-исток) в рабочей зоне протекает ток.

В показанном на рисунке состоянии устройство действует как типичный проводник. Видовое название графика «Омическая область» определяет зону пропорционального увеличения силы тока по мере увеличения разности потенциалов. При переходе в режим насыщения количества свободных зарядов недостаточно для поддержания отмеченного изменения.

На этом рисунке канал прохождения заряда сужен дополнительным источником тока, что снижает U<0. При определенном уровне (напряжении отсечки) ток не течет.

На рисунке показаны зоны p- и n-типа. Регулировкой напряжения U и изменением сопротивления канала (тока). Как показано выше, при необходимости эту цепь можно замкнуть.

Простые зарядные устройства с ручной регулировкой

Начнем с простых устройств, позволяющих вручную регулировать параметры зарядки. Так как большинство аккумуляторов легковых автомобилей не имеют емкости более 100-120 Ач, то зарядного устройства, дающего ток до 10 ампер, будет достаточно.

Простой регулятор с балластными конденсаторами

Любой, кто умеет пользоваться мультиметром и держать в руках паяльник, может сделать такое зарядное устройство, не имеющее дефицитных деталей. Давайте посмотрим на график ниже.

Схема зарядного устройства

Схема простого зарядного устройства с балластными конденсаторами

Устройство состоит из понижающего трансформатора Тр1, мощного выпрямителя, собранного на диодах VD1-VD4 и набора конденсаторов разной емкости С1-С4. Каждый из конденсаторов может быть подключен к цепи питания трансформатора с помощью отдельного переключателя S2-S4. Емкости конденсаторов подобраны так, чтобы каждый последующий отдавал выходной ток зарядному устройству в два раза больше предыдущего.

В зависимости от марки и количества подключенных конденсаторов будет меняться выходное напряжение, а значит и зарядный ток. Комбинируя конденсаторы с переключателями S2-S4, можно изменять зарядный ток от 1 до 15 А с шагом в 1 А, что более чем достаточно для зарядки любого аккумулятора.

Напряжение на клеммах аккумулятора, подключенных к клеммам XS2, XS3, можно контролировать с помощью вольтметра ПУ1. Значение зарядного тока будет отображаться на амперметре РА1. Выключатель питания представляет собой кулисный переключатель S1.

В конструкции можно использовать любой сетевой трансформатор (можно изготовить самостоятельно), обеспечивающий ток не менее 10 А при выходном напряжении 22-24 В. Диоды Д305 можно заменить любым выпрямителем, рассчитанным на постоянный ток не менее 10 А и выдерживающие обратное напряжение не менее 40 В.

Диоды выпрямительного моста должны быть установлены на изолированных друг от друга радиаторах с площадью рассеивания не менее 100 см2 каждый.

Важно! Если предполагается установка полупроводников на один общий радиатор, это необходимо делать через изолирующие слюдяные прокладки. При этом рассеиваемая площадь радиатора выбирается не менее 300 см2 .

Конденсаторы С2-С4 неполярные, бумажные, рассчитанные на рабочее напряжение не ниже 300 В. Подходят, например, МБГЧ, МБГО, КБГ-МН, МБМ, МБГП, получившие широкое распространение в качестве фазосдвигающих двигателей асинхронных бытовых приборов.

Вместо ПУ1 можно использовать любой вольтметр постоянного тока с пределом измерения 30 В. ПА1 — амперметр с пределом измерения 20-30 А, который легко можно использовать как любой микроамперметр с подходящим шунтом.

Читайте также: Все о солнечных электростанциях

С плавной регулировкой тока зарядки

Следующая схема более сложная, где в качестве регулирующего элемента используется тиристор. Преимуществом такой конструкции является плавная регулировка выходного напряжения, а значит и зарядного тока. Диапазон регулировки 0-10 А. Принцип действия СЗУ — фазоимпульсное управление ключом (тиристорным).

Самодельные схемы зарядки с регулировкой тока и напряжения

Устройство состоит из силового трансформатора Т1, выпрямительного моста, собранного на мощных диодах VD1-VD4, и схемы регулирования тока, собранной на транзисторах VT1, VT2 и тиристоре VS1. Переменное напряжение 18-22 В подается со вторичной обмотки силового трансформатора на выпрямительный мост.

Исправленное, оно подается на схему регулировки. В начале полуволны начинает заряжаться конденсатор С2. Скорость зарядки можно плавно регулировать переменным резистором R1.

Как только конденсатор зарядится до определенного значения, открывается аналог однопереходного транзистора, установленного на элементах VT1, VT2. Конденсатор быстро разрядится через управляющий электрод тиристора, последний откроется и останется в таком состоянии до окончания этой полуволны. При появлении следующего процесс повторяется.

В качестве силового подойдет любой сетевой трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 18-22 В при токе не менее 10 А. Вместо ВТ1, кроме указанных, могут работать КТ361Б-КТ361Е, КТ502Г, КТ502В, КТ3107А, КТ501Ж-КТ501К. Вместо КТ315А подходят КТ315Б-Д, КТ3102А, КТ312Б, КТ503В-Г, П307.

В качестве С2 могут быть использованы конденсаторы типов МБГП, К73-17, К42У-2, К73-16, К73-11 емкостью 0,47-1 мкФ. Вместо КД105Б подойдет КД105В, КД105Г или Д226 с любой буквой. Переменный резистор R1 типа СПО-1, СП-1, СПЗ-30а.

Амперметр ПА1 — любой с током полного отклонения 10 А. Вместо мощных выпрямительных диодов Д245 подойдет любой из серий КД213, КД203, Д245, КД210, Д242, Д243, выдерживающий ток не менее 10 А и обратного напряжения ниже 50 В.

Их необходимо устанавливать на радиаторы площадью не менее 100 см2. Тиристор КУ202В можно заменить на КУ202Г-Э и даже на Т-160 или Т-250. Он также установлен на радиаторе.

Здоровый! Если выходное напряжение трансформатора немного выше 22 В (скажем, 24-28 В), можно его использовать. Единственное, надо увеличить номинал резистора R5 до 200 Ом.

С зарядкой ассиметричным током

Это зарядное устройство имеет предел регулировки тока от 0 до 10 А и заряжается несимметричным током, при котором аккумулятор заряжается определенное время, а остальное время разряжается током ок. 600 мА. Это значительно продлевает срок службы аккумулятора и предотвращает сульфатацию.

Самодельные схемы зарядки с регулировкой тока и напряжения

Здесь зарядный ток регулируется высоким переменным напряжением с помощью симметричного тиристора (симистора). Принцип регулировки такой же, как и в предыдущей схеме – фазоимпульсное управление. А вот схема регулятора выглядит и работает немного по другому.

В начале положительной полуволны конденсатор С2 заряжается через резистор R3 и диод VD1 на диодный мост VD1-VD4. Как только конденсатор зарядится до напряжения зажигания газоразрядной лампы HL1 (время зарядки зависит от положения ползунка переменного сопротивления R1), последняя загорится.

Конденсатор быстро разрядится через управляющий электрод симистора и тот откроется и подаст напряжение на сетевую обмотку понижающего трансформатора Т1.

В таком состоянии симистор будет находиться до конца полупериода. При отрицательной полуволне конденсатор будет заряжаться через резистор R5 и диод VD2. При этом полярность напряжения будет противоположна предыдущей. Снова разряд в лампе открывает тиристор, посылая на обмотку уже отрицательную полуволну.

Пониженное напряжение, величина которого зависит от положения двигателя R1, выпрямляется диодами VD5, VD6 и подается на клеммы аккумулятора, заряжая его выбранным нами током. После закрытия симистора и до следующего размыкания батарея разряжается через нагрузочный резистор R6, дающий ток разряда порядка 600 мА.

Зарядный ток можно контролировать с помощью амперметра РА1, блок ПВ1 показывает напряжение на клеммах аккумулятора.

Важно! При установке значения зарядного тока на амперметре необходимо учитывать ток (600 мА), протекающий через резистор R6. То есть, если мы установим устройство на 6 А, реальный зарядный ток, протекающий через аккумулятор, будет 6 — 0,6 = 5,4 А.

О деталях. В качестве сетевого трансформатора подойдет любой трансформатор подходящей мощности (выходной ток не менее 10 А) с выходным напряжением 20 В и отводом от центра. Если вторичная обмотка не имеет среднего отвода, можно использовать мостовой выпрямитель. Диоды VD5, VD6 — любой мощный выпрямитель на ток не менее 10 А и обратное напряжение не менее 40 В.

VD1-VD4 можно заменить любым выпрямителем, выдерживающим ток не менее 200 мА и напряжение 300 В. Конденсаторы С1, С2 — пленочные или бумажные, неполярные. Симистор можно заменить на КУ208В. Амперметр ПА1 имеет предел измерения 15-20 А, вольтметр ПВ1 — 20 В.

Мощные выпрямительные диоды VD5, VD6 и симистор VS1 необходимо установить на радиаторы. В этом случае диоды можно установить на общий радиатор без изолирующих прокладок. Диоды VD1-VD4 не нуждаются в радиаторе.

Полевые транзисторы в стабилизаторах тока

В идеальном примере источник питания обеспечивает стабильность тока, если электрическое сопротивление цепи нагрузки изменяется от нуля (короткое замыкание) до бесконечности. Однако рабочие параметры проводимости (напряжения) реально ограничены определенным диапазоном.

Цепь FET, включенная последовательно с зарядным устройством, солнечной панелью или другим «реальным» источником, будет поддерживать ток в линии на заданном уровне.

Пример стабилизатора на полевом транзисторе

При изготовлении радиоустройств на лампах типовой анодный источник питания не обеспечивает необходимой стабильности выходных параметров. Добавление резистора в цепь увеличивает потери и не позволяет точно скорректировать изменения мощности в нагрузке.

Этот стабилизатор тока легко смонтировать на полевом транзисторе своими руками. С его помощью обеспечивается точность заданных параметров в пределах не более 6% от номинального значения.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector