Low-Drop-Stabilisator. Spannungsstabilisator an einem Feldeffekttransistor – Schaltungsentwurf. Was ist ein Low-Dropout-Spannungsstabilisator?

Kontinuierlicher Serienspannungsregler – einstellbar, geringer Dropout

Einstellbarer Serienregler

Um die Ausgangsspannung in der vorherigen Schaltung anzupassen, ist ein Integralelement mit einstellbare Spannung Stabilisierung (gesteuerte Zenerdiode). Es gibt noch eine andere Möglichkeit.

MOSFET + TL431 = Serienkompensations-Spannungsregler mit minimaler Abfall

Idealer LDO-Regler

LDO = Low Dropout = geringer minimaler Spannungsabfall über dem Durchgangselement

Für den beliebten integrierten Stabilisator mit drei Anschlüssen LM317 (Datenblatt) beträgt der minimale Spannungsabfall, bei dem sich sein Betrieb noch normalisiert, 3 Volt. Darüber hinaus wird dieser Parameter nirgendwo in der Dokumentation klar angegeben, sondern eher bescheiden in den Messbedingungen erwähnt. In den meisten Fällen wird davon ausgegangen, dass der Spannungsabfall auf dem Chip 5 Volt oder mehr beträgt:
„Sofern nicht anders angegeben, VIN − VOUT = 5V“.

Baba Jaga ist dagegen! Es ist schade, bei einem dummen Durchgangstransistor 3 Volt zu verlieren. Und zusätzliche Watt verbrauchen. Eine beliebte Lösung des Problems – das Umschalten von Stabilisatoren – wird hier nicht besprochen, da sie Pfeife. Man kann Einmischung bekämpfen, aber wie Sie wissen: Wer nicht kämpft, ist unbesiegbar! 😉

Idee
Die Idee für diese Schaltung geht auf eines der vielen Datenblätter zum TL431 zurück. Hier ist beispielsweise das Angebot von National Semiconductor/TI:

Vo ~= Vref * (1+R1/R2)

An sich ist ein solcher Regler nicht sehr interessant: Meiner Meinung nach ist er nicht besser als die üblichen dreipoligen Stabilisatoren 7805, LM317 und dergleichen. Es ist unwahrscheinlich, dass der minimale Spannungsabfall bei einem Durchgangs-Darlington weniger als 2 Volt beträgt. Und außerdem gibt es weder einen Strom- noch einen Überhitzungsschutz. Es sei denn, die Transistoren können so dick gemacht werden, wie Ihr Herz begehrt.

Kürzlich musste ich einen Linearstabilisator mit minimalem Spannungsabfall bauen. Natürlich können Sie jederzeit ausweichen, einen Transformator mit einer höheren Spannung auf der Sekundärseite nehmen, Schottky-Dioden in die Brücke einbauen, mehr Speicherkondensatoren ... Und bei all diesem Glück den dreipoligen Stabilisator aufheizen. Aber ich wollte eine elegante Lösung mit dem verfügbaren Trance. Welcher Durchgangsregler kann einen Abfall nahe Null bewirken? MOSFET: In modernen Hochleistungs-Feldgeräten kann der Kanalwiderstand mehrere Milli-Ohm betragen.

Das einfache Ersetzen des Darlington durch einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate und induziertem Kanal (d. h. den gebräuchlichsten MOSFET) in der obigen Schaltung wird nicht viel helfen. Da die Gate-Source-Schwellenspannung bei gewöhnlichen MOSFETs 3–4 Volt und bei „logischen“ MOSFETs noch mehr Volt beträgt, wird hierdurch die minimale Durchgangsspannung an einem solchen Stabilisator festgelegt.

Es könnte interessant sein, wenn Sie einen Feldoperator verwenden, der im Erschöpfungsmodus (d. h. mit einem eingebauten Kanal) oder mit arbeitet p-n-Übergang. Leider sind leistungsstarke Geräte dieser Art mittlerweile praktisch nicht mehr verfügbar.

Eine zusätzliche Vorspannungsquelle spart. Eine solche Quelle muss keineswegs eine Hochstromquelle sein – ein paar Milliampere reichen aus.

Das Ganze funktioniert ganz einfach: Wenn die Spannung am Steuereingang des TL431, proportional zur Ausgangsspannung, unter den Schwellenwert (2,5 V) fällt, schließt die „Zenerdiode“ und „gibt“ das Feldtor „nach oben“ frei. Der Strom von der zusätzlichen Quelle durch den Widerstand „zieht“ die Spannung am Gate und damit am Ausgang des Stabilisators „hoch“.
In der umgekehrten Richtung, bei einer Erhöhung der Ausgangsspannung, funktioniert alles auf die gleiche Weise: Die „Zenerdiode“ öffnet leicht und reduziert die Spannung am Feldgate.
TL431 ist ein lineares Gerät, es enthält keine Latches:

Wirklichkeit
Im Stromkreis des realen Geräts habe ich noch einen Stromschutz hinzugefügt und dabei zugunsten der Sicherheit einen Spannungsabfall von einem halben Volt geopfert. Bei Niederspannungsausführungen kann prinzipiell oft darauf verzichtet werden Sicherung, da Feldeffekttransistoren mit einer enormen Stromreserve verfügbar sind und bei Vorhandensein eines Strahlers extremen Überlastungen standhalten. Wenn 0,5 Volt schade sind und ein Stromschutz erforderlich ist, schreiben Sie, denn es gibt Möglichkeiten 😉

30. Januar 2012: 🙂Funktioniert super! Bei Lastströmen ab ca. 2A empfiehlt es sich, leistungsstarke Dioden auf einem kleinen Strahler zu platzieren. R8=0; C7=0,1 ... 10 µF Keramik oder Folie.

Bei den im Diagramm angegebenen Nennwerten R5-R6-R7 beträgt der Einstellbereich der Ausgangsspannung etwa 9 bis 16 Volt. Das tatsächliche Maximum hängt natürlich davon ab, wie viel der Transformator unter Last liefern kann.
R4 muss mit angemessener Leistung verwendet werden: PmaxR4 ~= 0,5 / R.V in diesem Beispiel- ein Zweiteiler wäre genau das Richtige.

Wo es nötig sein könnte
Beispielsweise in der Lampentechnik zur Versorgung von Glühlampenkreisen mit Gleichstrom.
Warum ein konstanter und noch so sorgfältig stabilisierter Strom, um die Filamente anzutreiben?

1. Beseitigen Sie Störungen Wechselstrom Spannung in Signalkreise. Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie der „Hintergrund“ von den Filamentkreisen in das Signal eindringen kann (ein Thema für einen separaten Artikel!)
2. Versorgen Sie das Filament mit einer genau festgelegten Spannung. Es gibt Hinweise darauf, dass eine Überschreitung der Glühfadenspannung um 10 % der Nennspannung die Lebensdauer der Lampe um eine Größenordnung verkürzen kann. Die Toleranznormen für die Versorgungsspannung sowie Konstruktionsfehler von Transformatoren usw. - Es kann leicht zu einem Fehler von 10 % kommen.

Für 6-Volt-Filamente muss R5 reduziert werden: 5,6 KOhm sind genau richtig.

Was kann verbessert werden?
Um beispielsweise Filamente mit Strom zu versorgen, ist es sinnvoll, einen Sanftanlauf hinzuzufügen. Dazu reicht es aus, C4 auf beispielsweise 1000 μF zu erhöhen und einen 1-kΩ-Widerstand zwischen Brücke und C4 anzuschließen.

Ein bisschen Lampenmythologie
Lassen Sie mich auf ein hartnäckiges Missverständnis eingehen, das besagt, dass sich die „ständige“ Zufuhr von Filament negativ auf den „Geräusch“ auswirkt.
Die wahrscheinlichste Ursache für diesen Mythos sind wie üblich mangelndes Verständnis und krumme Hände. Beispiel: Ein Transformator versorgt sowohl die Anoden als auch den Glühfaden. Der Nennstrom der Glühwendel beträgt beispielsweise 1A, der früher die Glühlampen direkt speiste, und diese verbrauchten etwas weniger als genau diese 1A. Alles hat gut funktioniert, vielleicht ein bisschen schlecht. Wenn jetzt ein gewisser Lötmonteur, der sich für einen „Röhren-Guru“ hält, plötzlich dieselben Lampen mit derselben Wicklung, aber über einen Gleichrichter/Kondensator/Stabilisator mit Strom versorgt – dann ist das alles, scheiß auf den Verstärker! Die Erklärung ist einfach, wenn auch nicht für jeden offensichtlich:

1. Erstens ist der Transformator jetzt durch den gepulsten Ladestrom des Speichers überlastet (ein separater Artikel ist erforderlich!) Kurz gesagt: Sie müssen einen Transformator mit einem Nennsekundärstrom nehmen, der etwa 1,8-mal größer ist als der gleichgerichtete Laststrom.
2. Zweitens tragen die Stoßströme beim Laden von Speichertanks in einer Glühstromquelle nichts Gutes zur Anodenstromversorgung bei.

• Abschluss

• Hatten Sie Interesse? Schreib mir!

Fragen, vorschlagen: in den Kommentaren oder per E-Mail (verfügbar in meinem Profil). Danke!

Alles Gute!
- Sergej Patrushin.

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131 Gedanken zu „ MOSFET + TL431 = Semit minimalem Dropout”

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In der Praxis des Amateurfunks besteht manchmal die Notwendigkeit Stabilisator mit geringem Spannungsabfall am Regelelement (1,5-2V). Dies kann durch unzureichende Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators, Maßbeschränkungen, wenn das Gehäuse keinen Strahler der erforderlichen Größe aufnimmt, Überlegungen zur Geräteeffizienz usw. verursacht werden.

Und wenn die Auswahl an Mikroschaltungen zum Bau „konventioneller“ Stabilisatoren groß genug ist (z. B LM317, 78XX usw.), dann stehen Mikroschaltungen zum Aufbau von Low-Drop-Stabilisatoren meist nicht jedem zur Verfügung. Daher ein einfaches Schema auf verfügbare Komponenten kann sehr relevant sein.

Ich stelle ein Schema vor, das ich selbst seit vielen Jahren verwende. In dieser Zeit hat sich das System als zuverlässig erwiesen, stabile Arbeit. Dank der verfügbaren Komponenten und der einfachen Einrichtung können selbst unerfahrene Funkamateure das Design problemlos wiederholen.

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Die Schaltung ähnelt einer ziemlich normalen parametrischer Stabilisator, das durch einen GST (stabiler Stromgenerator) zur Steuerung des Basisstroms des Regeltransistors ergänzt wird, wodurch es möglich war, zu erhalten geringer Spannungsabfall.

Die Schaltung ist für eine Ausgangsspannung von 5V (eingestellt durch Widerstand R4) und einen Laststrom von 200mA ausgelegt. Wenn Sie mehr Strom benötigen, sollten Sie anstelle von T3 verwenden Verbundtransistor.

Wenn Sie eine höhere Ausgangsspannung benötigen, müssen Sie die Widerstandswerte neu berechnen.

Im Fall von Mangel an Transistorbaugruppen Es können diskrete Transistoren verwendet werden. In meiner Version wurden anstelle des Zusammenbaus von KR198NT5 zwei ausgewählte KT361-Transistoren verwendet. Die KR159NT1-Baugruppe kann durch zwei KT315-Transistoren ersetzt werden, deren Auswahl nicht erforderlich ist.

Da es im Internet praktisch keine Informationen zu Haushaltskomponenten gibt, stelle ich als Referenz die Pinbelegung von Transistorbaugruppen zur Verfügung.

Alle modernen radioelektronischen Geräte sind auf Elementen aufgebaut, die empfindlich auf die Stromversorgung reagieren. Davon hängt nicht nur die korrekte Funktion, sondern auch die Leistungsfähigkeit der Schaltkreise insgesamt ab. Deshalb zunächst einmal elektronische Geräte Ausgestattet mit festen Stabilisatoren mit geringem Spannungsabfall. Sie werden in Form von integrierten Schaltkreisen hergestellt, die von vielen Herstellern auf der ganzen Welt hergestellt werden.

Was ist ein Low-Dropout-Spannungsstabilisator?

Unter einem Spannungsstabilisator (SV) versteht man ein Gerät, dessen Hauptaufgabe darin besteht, die Lastspannung auf einem bestimmten konstanten Niveau zu halten. Jeder Stabilisator weist eine gewisse Genauigkeit der Parameterausgabe auf, die durch die Art der Schaltung und die darin enthaltenen Komponenten bestimmt wird.

Intern sieht der SN wie ein geschlossenes System aus, bei dem im Automatikmodus die Ausgangsspannung proportional zur Referenzspannung (Referenzspannung) angepasst wird, die von einer speziellen Quelle erzeugt wird. Diese Art von Stabilisator wird als kompensatorisch bezeichnet. Das Regelelement (RE) ist in diesem Fall ein Transistor – ein Bipolar- oder Feldeffekttransistor.

Das Spannungsregelelement kann in zwei verschiedenen Modi arbeiten (bestimmt durch das Designdiagramm):

• aktiv;
• Schlüssel.

Der erste Modus impliziert den kontinuierlichen Betrieb des RE, der zweite den Betrieb im gepulsten Modus.

Wo wird ein fester Stabilisator verwendet?

Elektronische Geräte der modernen Generation zeichnen sich durch Mobilität im globalen Maßstab aus. Gerätestromversorgungssysteme basieren auf der Nutzung überwiegend chemischer Stromquellen. Die Aufgabe der Entwickler besteht in diesem Fall darin, Stabilisatoren mit kleinen Gesamtparametern und möglichst geringem Stromverlust zu erhalten.

Moderne SVs werden in folgenden Systemen eingesetzt:

• Mobile Kommunikation;
• tragbare Computer;
• Mikrocontroller-Netzteile;
• Autonom arbeitende Sicherheitskameras;
• autonome Sicherheitssysteme und Sensoren.

Zur Lösung von Stromversorgungsproblemen stationärer Elektronik werden Spannungsstabilisatoren mit geringem Spannungsabfall in einem Gehäuse mit drei Anschlüssen vom Typ KT (KT-26, KT-28-2 usw.) eingesetzt. Sie werden zum Erstellen einfacher Schaltkreise verwendet:

• Ladegeräte;
• Netzteile für elektrische Haushaltsgeräte;
• Messinstrumente;
• Kommunikationssysteme;
• Spezialausrüstung.

Welche Arten von SN mit festem Typ gibt es?

Alle Integralstabilisatoren (zu denen auch die Feststabilisatoren zählen) werden in zwei Hauptgruppen eingeteilt:

• Stabilisatoren mit minimalem Niederspannungsabfall in Hybridbauweise (GISN).
• Halbleiter-Mikroschaltungen (SIC).

SN der ersten Gruppe wird auf integrierten Schaltkreisen und Halbleiterelementen vom unverpackten Typ hergestellt. Alle Komponenten der Schaltung werden auf einem dielektrischen Substrat platziert, auf dem durch Aufbringen dicker oder dünner Schichten Verbindungsleiter und Widerstände sowie diskrete Elemente hinzugefügt werden. variabler Widerstand, Kondensatoren usw.

Mikroschaltungen sind strukturell vollständige Geräte, deren Ausgangsspannung fest ist. Dabei handelt es sich in der Regel um Stabilisatoren mit einem geringen Spannungsabfall von 5 Volt bis zu 15 V. Leistungsstärkere Systeme basieren auf leistungsstarken, unverpackten Transistoren und einer (stromsparenden) folienbasierten Steuerschaltung. Der Stromkreis kann Ströme bis zu 5 Ampere führen.

ISN-Mikroschaltungen werden auf einem einzigen Chip hergestellt, weshalb sie klein in Größe und Gewicht sind. Im Vergleich zu früheren Mikroschaltungen sind sie zuverlässiger und kostengünstiger in der Herstellung, obwohl sie GISN in ihren Parametern unterlegen sind.

Lineare SN mit drei Anschlüssen werden als ISN bezeichnet. Wenn wir die Serien L78 oder L79 (für positive und negative Spannungen) nehmen, dann sind sie in Mikroschaltungen unterteilt mit:

• Niedriger Ausgangsstrom von ca. 0,1 A (L78L**).
• Der durchschnittliche Stromwert liegt bei etwa 0,5 A (L78M**).
• Hoher Strom bis 1,5 A (L78).

Funktionsprinzip eines Linearreglers mit geringem Spannungsabfall

Eine typische Stabilisatorstruktur besteht aus:

• Referenzspannungsquelle.
• Fehlersignalwandler (Verstärker).
• Ein Signalteiler und ein Regelelement, montiert auf zwei Widerständen.

Da die Ausgangsspannung direkt von den Widerständen R1 und R2 abhängt, werden diese in die Mikroschaltung eingebaut und man erhält einen CH mit fester Ausgangsspannung.

Der Betrieb eines Low-Dropout-Spannungsreglers basiert auf dem Vergleich der Referenzspannung mit der Spannung, die am Ausgang anliegt. Abhängig vom Grad der Diskrepanz zwischen diesen beiden Indikatoren wirkt der Fehlerverstärker auf das Gate des Leistungstransistors am Ausgang und bedeckt oder öffnet dessen Verbindungsstelle. Somit wird der tatsächliche Strompegel am Ausgang des Stabilisators kaum vom angegebenen Nennwert abweichen.

Der Stromkreis enthält außerdem Sensoren zum Schutz vor Überhitzung und Überlastströmen. Unter dem Einfluss dieser Sensoren wird der Kanal des Ausgangstransistors vollständig blockiert und es fließt kein Strom mehr. Im Shutdown-Modus verbraucht die Mikroschaltung nur 50 Mikroampere.

Low-Dropout-Stabilisator-Verbindungsschaltungen

Ein integrierter Stabilisatorchip ist praktisch, da er alle notwendigen Elemente enthält. Für die Installation auf der Platine ist lediglich der Einbau von Filterkondensatoren erforderlich. Letztere sollen Störungen beseitigen, die von der Stromquelle und der Last ausgehen, wie in der Abbildung zu sehen ist.

Bezüglich der 78xx-Serie SN und der Verwendung von Tantal- oder Keramik-Eingangs- und Ausgangs-Bypass-Kondensatoren sollte deren Kapazität bei allen zulässigen Spannungs- und Stromwerten im Bereich von bis zu 2 µF (Eingang) und 1 µF (Ausgang) liegen. Wenn Sie Aluminiumkondensatoren verwenden, sollte deren Nennwert 10 μF nicht unterschreiten. Die Elemente sollten so nah wie möglich an den Pins der Mikroschaltung angeschlossen werden.

Für den Fall, dass ein Spannungsstabilisator mit einem geringen Spannungsabfall der erforderlichen Nennleistung nicht verfügbar ist, können Sie die Nennleistung des MV von einem kleineren auf einen größeren Wert erhöhen. Durch die Erhöhung des Stromniveaus am gemeinsamen Anschluss wird erreicht, dass es am Verbraucher um den gleichen Betrag erhöht wird, wie im Diagramm dargestellt.

Vor- und Nachteile von Linear- und Schaltstabilisatoren

Continuous Continuous Circuits (CIs) haben folgende Vorteile:

1. In einem kleinen Gehäuse untergebracht, sodass sie effektiv auf der Arbeitsfläche der Leiterplatte platziert werden können.
2. Erfordert keine Installation zusätzlicher Regulierungselemente.
3. Sorgen Sie für eine gute Stabilisierung des Ausgabeparameters.

Zu den Nachteilen gehört ein geringer Wirkungsgrad von nicht mehr als 60 %, der mit dem Spannungsabfall am eingebauten Steuerelement verbunden ist. Bei hohe Energie Mikroschaltungen müssen einen Chip-Kühlkörper verwenden.

Als produktiver gelten diejenigen mit einem geringen Spannungsabfall über dem Feld, deren Wirkungsgrad etwa 85 % beträgt. Dies wird durch die Betriebsart des Steuerelements erreicht, bei der es pulsweise von Strom durchflossen wird.

Zu den Nachteilen der gepulsten MV-Schaltung gehören:

1. Komplexität der schematischen Ausführung.
2. Vorhandensein von gepulsten Störungen.
3. Geringe Stabilität des Ausgabeparameters.

Einige Schaltkreise verwenden einen linearen Spannungsregler

Neben der bestimmungsgemäßen Verwendung von Mikroschaltungen als SN besteht die Möglichkeit, den Anwendungsbereich zu erweitern. Einige Varianten solcher Schaltungen basieren auf der integrierten Schaltung L7805.

Stabilisatoren im Parallelbetrieb einschalten

Um den Laststrom zu erhöhen, werden die MVs parallel zueinander geschaltet. Um die Funktionsfähigkeit einer solchen Schaltung sicherzustellen, wird zwischen der Last und dem Ausgang des Stabilisators ein zusätzlicher Kleinwiderstand eingebaut.

Stromstabilisator basierend auf MV

Es gibt Lasten, die mit Gleichstrom (stabilem) Strom versorgt werden müssen, beispielsweise eine LED-Kette.

Schaltplan zur Regelung der Lüftergeschwindigkeit in einem Computer

Dieser Reglertyp ist so konzipiert, dass beim ersten Einschalten alle 12 V an den Kühler geliefert werden (für dessen Hochlauf). Weiter nach dem Laden des Kondensators C1 variabler Widerstand R2 ist es möglich, den Spannungswert anzupassen.

Abschluss

Beim Zusammenbau einer Schaltung mit einem Spannungsstabilisator mit geringem Spannungsabfall mit eigenen Händen ist zu berücksichtigen, dass einige Arten von Mikroschaltungen (aufgebaut auf Feldeffekttransistoren) nicht mit einem herkömmlichen Lötkolben direkt aus einem 220-V-Netz gelötet werden können ohne den Fall zu erden. Ihre statische Elektrizität kann das elektronische Element beschädigen!

Im Bild oben ist eine einfache Schaltung zur Spannungsregelung und -stabilisierung dargestellt; selbst ein Elektronik-Neuling kann sie zusammenbauen. Am Eingang werden beispielsweise 50 Volt angelegt und am Ausgang erhalten wir 15,7 Volt oder einen anderen Wert bis 27V.

Hauptfunkkomponente dieses Geräts ist ein Feldeffekttransistor (MOSFET), der als IRLZ24/32/44 und ähnliche verwendet werden kann. Sie werden am häufigsten von IRF und Vishay in TO-220- und D2Pak-Gehäusen hergestellt. Im Einzelhandel kostet es etwa 0,58 UAH; bei eBay können 10 Stück für 3 US-Dollar (0,3 US-Dollar pro Stück) erworben werden. Solch Leistungstransistor hat drei Anschlüsse: Drain, Source und Gate, es hat die folgende Struktur: Metall-Dielektrikum (Siliziumdioxid SiO2)-Halbleiter. Der TL431-Stabilisatorchip im TO-92-Gehäuse bietet die Möglichkeit, den Ausgangswert anzupassen elektrische Spannung. Den Transistor selbst habe ich auf dem Kühler belassen und ihn mit Drähten an die Platine gelötet.

Die Eingangsspannung für diese Schaltung kann zwischen 6 und 50 Volt liegen. Am Ausgang erhalten wir 3–27 V mit der Möglichkeit, mit einem 33-k-Teilstrangwiderstand zu regeln. Der Ausgangsstrom ist recht groß und kann je nach Strahler bis zu 10 Ampere betragen.

Die Glättungskondensatoren C1, C2 können eine Kapazität von 10–22 μF haben, C3 4,7 μF. Ohne sie funktioniert die Schaltung zwar noch, aber nicht so gut, wie sie sollte. Vergessen Sie nicht die Spannung der Elektrolytkondensatoren am Ein- und Ausgang; ich habe sie alle für 50 Volt ausgelegt.

Die dabei abführbare Leistung darf nicht mehr als 50 Watt betragen. Der Feldeffekttransistor muss auf einem Heizkörper installiert werden, dessen empfohlene Oberfläche mindestens 200 Quadratzentimeter (0,02 m2) beträgt. Vergessen Sie nicht die Wärmeleitpaste oder die Gummiunterlage, damit die Wärme besser übertragen wird.

Es ist möglich, einen 33k-Substring-Widerstand wie WH06-1, WH06-2 zu verwenden, sie haben eine ziemlich genaue Widerstandseinstellung, so sehen sie aus, importiert und sowjetisch.

Der Einfachheit halber ist es besser, zwei Pads auf die Platine zu löten, statt Drähte, die leicht abreißen.

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