Стабилизатор тока на полевом транзисторе схема своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 05.10.2024

На сегодняшнем мероприятии, посвящённом открытию "Культурно-досугового центра Лоховского муниципального образования", поговорим о разновидностях источников постоянного и, желательно, стабильного выходного тока.
- Если напряжение можно понять умом, то ток только чувством! - начал свой доклад руководитель кружка по художественному рукоделию Семён Самсонович Елдыкин.
- Целью нашего сегодняшнего радиолюбительского заседания является освоение упорядоченного движения свободных электрически заряженных частиц - как суммы знаний, физических умений и врождённых навыков.
"Как заземлить незаземлённое заземление? Сколько нужно выпить водки в граммах для снижения сопротивление тела на 1 кОм? И как не вступить с электричеством в интимные отношения?" - станет темой нашего научного коллоквиума.

Спасибо Семёну Самсоновичу за вводные слова, а нам пора переместиться поближе к обозначенной в заголовке теме. Напустим энциклопедического глубокомыслия:

Дополним редакцию. Источник тока должен иметь большое внутреннее дифференциальное сопротивление, такое чтобы при изменении сопротивления нагрузки сила тока в нагрузке практически не изменялась. Такую возможность нам предоставляет биполярный транзистор со стороны коллектора, полевик со стороны стока, либо операционник между инвертирующим входом и выходом.

Есть несколько основных характеристик, которые характеризуют источник тока.
Первой и основной из них является величина выходного тока.
Во-вторых, его выходное сопротивление, которое определяет, насколько ток источника меняется в зависимости от сопротивления нагрузки.
Третья спецификация - это минимальное и максимальное напряжения на выходе источника, при котором узел работает должным образом, т.е. выходной транзистор находится в активном режиме.
В-четвёртых, температурная стабильность и способность противостоять колебаниям напряжения источника питания.

Для разминки рассмотрим схемы простейших генераторов (источников) тока на транзисторах и операционных усилителях.

Схема источника тока на биполярном транзисторе - самая плохая. В ней присутствует полный букет недостатков - и температурная нестабильность, и зависимость тока от колебаний напряжения источника питания и наличие пресловутого эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Здесь входной делитель на резисторах R1, R2 задаёт ток базы транзистора Iб, выходной ток в первом приближении можно считать равным Iн = Iк?vxIб.

Схема на полевом транзисторе не столь чувствительна к нестабильности источника питания, однако имеет другой существенный недостаток - практическую невозможность заранее рассчитать выходной ток генератора из-за значительности разброса параметров данных типов полупроводников.
Максимальный ток данного типа источника равен начальному току стока при R1=0 (паспортная характеристика), минимальный ограничен падением напряжения на токозадающем резисторе R1.

Размялись? Пришло время избавляться от недостатков простейших источников тока, обкашлянных нами выше.

Схемы стабилизаторов тока, представленные на Рис.2, будут полезны в устройствах, работающих с конечными потребителями, которые чувствительны не столько к стабильности напряжения, сколько к постоянству протекающего через них тока.
За примерами далеко ходить не надо - источники питания светодиодов, газоразрядных ламп, зарядные устройства для аккумуляторов и т.д. Все они требуют наличия на выходе постоянного, либо изменяющегося по определённому алгоритму тока.
Принцип работы приведённых схем предельно прост. При увеличении тока нагрузки пропорционально увеличивается и падение напряжения на токозадающем резисторе R1. При достижении уровня падения этого напряжения ?0,6В, начинает открываться транзистор T1, снижая величину Uбэ (или Uзи) второго транзистора T2. Он начинает закрываться, соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через нагрузку.
Для схемы на биполярном транзисторе номинал резистора Rб следует выбирать из соображений Rб .
Для полевика, в силу его высокого входного сопротивления, величина резистора Rз1 может выбрана достаточно высокой (десятки килоом). Единственное, за чем надо зорко послеживать - максимально допустимое значение напряжения затвор-исток транзистора. Если оно меньше Еп, следует добавить дополнительный резистор Rз2 такого номинала, чтобы образованный делитель вогнал напряжение на затворе в допустимые пределы.
Выходной ток рассчитывается по простой формуле I_н?0,6/ R1 .
В этих схемах нет температурной компенсации, изменение выходного тока составляет величину ? 0,3% на один °С.

Про схему токового зеркала, изображённую на Рис.3, смело можно сказать, что это базовая схема источника тока.
Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов создают отрицательную обратную связь по току, что с одной стороны, приводит к улучшению термостабилизирующих свойств узла, а с другой, позволяет в широких пределах регулировать соотношения токов транзисторов Т1 и Т2.

Для снижения зависимости выходного тока от колебаний напряжения питания широкое применение нашли источники тока (Рис.4), называемые двойным зеркалом тока.
Механизм работает следующим образом: Предположим, увеличилось напряжение питания. Тогда увеличивается и падение напряжения на резисторе R1. Это приводит к уменьшению потенциала базы транзистора VТ3, транзистор VТ3 призакроется, его ток Iэ3 уменьшится, соответственно уменьшится ток базы Iб2 и Iн тоже уменьшится и вернётся в исходное состояние.

Источник тока, представленный на Рис. 5, называется схемой токового зеркала Уилсона и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока за счёт подавления проявлений эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора токозадающего Т2 фиксирован и не влияет на выходной ток.

Каскодный генератор тока, изображённый на Рис. 6, обладает достоинствами, связанными с очень высоким внутренним сопротивлением и значительным ослаблением эффекта Эрли. Динамическое внутреннее сопротивление такого отражателя тока превышает величину в несколько МОм.

И по традиции приведу таблицу, позволяющую не сильно утруждаться, при желании воплотить описанные узлы в реальную жизнь.

РАСЧЁТ ТОКОЗАДАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИСТОЧНИКОВ ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Источники тока на полевых транзисторах, в связи со значительностью разброса параметров данного типа полупроводников, практическое применение получили в основном при производстве аналоговых интегральных микросхем. При этом при использовании МОП-структур полевых транзисторов, схемотехника токовых зеркал практически не отличается от приведённых выше источников тока на биполярных собратьях.

Проектировать источники тока на дискретных полевых транзисторах - занятие, на мой взгляд, довольно нецелесообразное.
Другое дело - специально разработанные полупроводники, называемые токостабилизирующими диодами (CRD), в основе которых лежит полевой транзистор с каналом n-типа.

Рис.7

Полевые диоды имеют только два вывода и оптимизированы с точки зрения вольт-амперных характеристик. При их изготовлении можно достичь нулевого температурного коэффициента, объединяя CRD с резистором, имеющим тот же самый, но противоположного знака температурный коэффициент.
Токостабилизирующие диоды не очень известны в широких массах радиолюбительского сообщества, но тем временем активно выпускаются буржуйскими промышленниками, имеют приличную номенклатуру токов и достаточно широкий диапазон рабочих напряжений.

А на следующей странице продолжим тему - посвятим её источникам тока на операционных усилителях, а также преобразователям напряжение-ток на ОУ и транзисторах.

Ниже представлены схемы генераторов тока на полевых транзисторах, собранные из периодической литературы.

Рис.1 а) б)

Рис.1 в)

Для схемы изображенной на рис.1 а), в) сопротивление резистора определяется из соотношения:

где U₀ — напряжение, соответствующее точке перегиба передаточной характеристике (рис.2), I₀ — ток стока при отсутствии напряжения на затворе.

Рис. 2

Выходное сопротивление схемы составляет единицы МОм, для увеличения выходного сопротивления до десятков МОм можно воспользоваться схемой из двух полевых транзисторов (для нормальной работы стабилизатора на рис. 3б) необходимо, чтобы напряжение отсечки транзистора V1 было больше, чем у V2 и наоборот для рис. 3а):

Рис. 3 а)

Рис. 3 б)

Общий недостаток схем на полевых транзисторах — ток стабилизации можно определить только экспериментально из-за большого разброса параметров последних. Тем не менее в упрощенном виде ток стабилизации может быть определен выражением:

где U_отс — напряжение отсечки ПТ, S — крутизна его входной характеристики, R_и — сопротивление резистора в цепи истока.

В качестве примера, для КП303 (рис.1 а): U₀ = 4В, I₀ = 9мА, R1 = 3 кОм ток стабилизации составляет 1..1,1мА при изменении напряжения от 4 до 24 В).

Для стабилизации микротоков значение SR_и>>1, следовательно:

Справочно:

Напряжением отсечки полевых транзисторов принято считать напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока равен 10 мкА.
Минимально допустимый ток стабилизации ограничен током утечки затвора и конечной проводимостью канала закрытого транзистора, а также токами утечки других деталей цепи и монтажа. Практически можно говорить о минимальном токе порядка 100 нА. Максимальный ток стабилизации ограничен параметрами примененного транзистора.

Для схемы изображенной на рис.1 б) [2] ток стабилизации составляет 100 мкА и определяется резистором R1 при напряжении питании 10В. График зависимости тока стабилизации от питающего напряжения приведен ниже:

Рис. 4

В схеме могут быть применены полевые транзисторы из серии КП306, необходимо выбирать экземпляры с возможно меньшим напряжением отсечки и большей крутизной.

Стабилизатор тока для оптрона

Предложенная схема позволяет стабилизировать ток в цепи светодиода оптрона на уровне 15 мА в широком диапазоне управляющего напряжения. Ток устанавливаться резистором R2.

Стабилизатор тока на LM317 (КР142ЕН12)

Микросхема позволяет конструировать несложные, но при этом достаточно мощные стабилизаторы тока, правда с низким КПД. Подобные драйверы находят широкое применение, в том числе в узлах защиты БП и LED драйверах.

Классическая схема из datasheet, ток стабилизации — 10 мА …1,5 А

Стабилизатор тока на 10 А

Стабилизатор тока на 3А

Пример зарядного устройства с регулировкой выходного тока, транзистор VT1 — любой мощный низкочастотный, например — КТ818, MJ2955 (!Устройство не ограничивает напряжение на заряжаемом аккумуляторе, необходимо дополнить устройством отключения при достижении порогового напряжения, либо собрать зарядное на L200)

Примеры построение драйверов для LED на LM317 из сети (Схемы взяты из сети, обратите внимание на комментарии под ними):

!В данной схеме входное напряжение может быть более 40В, к ограничению использования нужно учитывать разность напряжений между входом (in) и остальными выводами LM317

!Сопротивление резистора R2 должно быть в 10 раз меньше — 3,9 Ом

Стабилизатор тока на TL431

Микросхема TL431 позволяет строить простые стабилизаторы с минимумом дискретных элементов. Ток стабилизации от единиц миллиампер до нескольких ампер.

В соответствии с datasheet типовыми схемами включения TL431 в режиме стабилизации тока являются две схемы:

Рис.1

Рис.2

При построении стабилизаторов тока по данным схемам необходимо учитывать, что минимальный/максимальный ток через микросхему составляет соответственно 1 мА/100 мА, а входное напряжение не превышать 36 В.

На данных схемах в качестве T1 используется маломощный транзистор желательно с как можно большим коэффициентом усиления (например, КТ3102 или аналоги), в качестве Т2 мощные транзисторы в зависимости от необходимого тока стабилизации.

Двунаправленные стабилизаторы тока

Приведённые схемы стабилизаторов тока могут работать при любой полярности подводимого напряжения.

На рисунке 1 приведена схема стабилизатора тока на полевом транзисторе, включенного в диагональ диодного моста. При использовании данной схемы необходимо учитывать, что напряжение начала стабилизации тока становится больше на напряжение падения на двух диодах, которые оказываются включены в прямом направлении.

При использовании схемы изображённой на рисунке 2 напряжение начала стабилизации уменьшено (по сравнению с рис.1), так как последовательно с каналом полевого транзистора оказывается включенным только 1 диод. Однако такой стабилизатор имеет сниженный коэффициент стабилизации тока из-за ослабления ООС делением напряжения резисторами R1, R2.

Схема, освобожденная от указанного выше недостатка в части ослабления коэффициента стабилизации, изображена на рисунке 3.

На рисунке 4 изображена схема с повышенным коэффициентом стабилизации тока.

Схемы 1-4 позволяют стабилизировать ток величиной в несколько миллиампер, в целом он определяется начальным током стока используемых транзисторов.

Более мощный стабилизатор тока изображен на рисунке 5, где ток стабилизации может определяться уже током коллектора биполярного транзистора.

Простые стабилизаторы (рисунок 6-10) получаются при их построении на основе p-n переходов транзисторов, выполняющих роль диодов.

На рисунке 11 приведен пример применения стабилизатора тока в генераторе треугольных импульсов.

Во всех описанных стабилизаторах можно использовать полевые транзисторы серии КП103, биполярные транзисторы серий КТ502, КТ503, диоды серий КД521, КД522. Для получения максимально симметричной ВАХ пары транзисторов необходимо подбирать с одинаковыми характеристиками, а ещё лучше использовать транзисторные и диодные сборки: К542, КДС111, КДС523, КДС526, КДС627, КР504, КР159, КР162, КР198.

Налаживание стабилизаторов заключается в подборке соответствующих токозадающих резисторов с целью получения номинального тока стабилизации в рабочем интервале приложенного напряжения.

В [2] описана усовершенствованная схема стабилизатора тока 1..40 мА на биполярный транзисторах и светодиодах:

Устройство можно запитывать напряжением от 12 до 300В.

Ток стабилизации задается резисторами R1 и R2, которые рассчитываются следующим образом: Iст=2(Uсд-Uбэ)/Rэ, где Uсд — напряжение падения напряжения на светодиодах, Uбэ — напряжение на эмиттерном переходе (для кремниевого транзистора ~0,6..0,7В), Rэ — сопротивление R1 (R2).

Конденсатор С1 должен быть минимально возможной емкости, обеспечивающим работу (запуск) стабилизатора. транзисторы можно выбирать исходя из начального напряжения, например, до 100 В — КТ814Г / КТ815Г, а при снижении тока стабилизации — любые маломощные.

Стабилизатор для лабораторного блока питания с защитой по току

Предлагаемый стабилизатор имеет возможность регулировки выходного напряжения от 0 до 25В и токе нагрузки до 3А, что в большинстве случаев достаточно для использования в домашней лаборатории.

В качестве регулятора выходного напряжения выступает составной транзистор VT2VT3, управляемый операционным усилителем (ОУ) DA1. На инвертирующий вход ОУ подается напряжение, пропорциональное выходному, а на не инвертирующий — часть образцового с движка переменного резистора R7, которым регулируется выходное напряжение стабилизатора.

Защита от превышения тока нагрузки собрана на проволочном резисторе R1. При увеличении тока через нагрузку увеличивается падение напряжения на резисторе, в следствии чего начинает открываться транзистор VT1. В результате открытия транзистора загорается светодиод HL1, сигнализирующий о перегрузке. Также увеличивается напряжение на инвертирующем входе, что в свою очередь приводит к ограничению тока через нагрузку на установленном резистором R3 уровне. Выходной транзистор необходимо обязательно установить на теплоотвод площадью 150-200см2.

Для повышения стабильности работы стабилизатора резистор R6 можно заменить стабилизатором тока на 10..20мА на полевом транзисторе.

Выше представлена очень простая схема линейного стабилизатора тока на двух транзисторах: полевом и биполярном, первый силовой, он управляет нагрузкой (на схеме светодиод), а второй (маломощный) полупроводниковый прибор задаёт режим работы первого.

Принцип работы (работа стабилизатора тока)

Пусть наша нагрузка это R, будем считать, что её сопротивление почти не изменяется (R = const), ток мы хотим неизменный (I = const), а что у нас остаётся – только выходное напряжение на источнике тока, его то и будет подбирать схема, причём не просто от балды, а именно такое, при котором через вышеупомянутою нагрузку R потечёт ровно тот ток I, на который рассчитано устройство.

А вот разбор работы самой схемы:

после подключения источника питания через резистор R1 открывается полевой транзистор, через резистор R2-открытый канал сток-исток VT1 и нагрузку (светодиод) течёт ток. Чем больший ток, тем больше будет падать напряжения на резисторе, и когда оно достигнет значения открытия VT2 (для кремниевого биполярного примерно 0,60-0,75 В) тот откроется, через его ЭК потечёт ток от минуса к затвору VT1, тем самым прикрыв его, но не полностью, ведь R1 никуда не девается.

Примечание. Детали для данного экземпляра взяты со старых плат, в частности мощный полевой N-канальный транзистор MTD20N06V в DPAK (TO-252) исполнении с материнки, у него сопротивление открытого канала 65 мОм, а максимальное длительно приложенное напряжение затвор-исток 20 Вольт, питается схема от БП 12 Вольт (скачки напряжения не более нескольких Вольт), поэтому диод Зенера не понадобится. Биполярный транзистор – это известный BC847A в SOT-23 корпусе. Резистор R1 = 11 кОм, R2 = 2 Ом типоразмера 1205 и мощностью 0.25 Вт. Этот экземпляр предназначен для стабилизированного тока:

I стаб = U БЭ * R2 = 0.6 В / 2 Ом = 300 мА

Испытание

Это адекватный результат для такой схемы. Далее были подключены по очереди два светодиода 10 Вт с различным напряжением питания. Для СД с одним кристаллом напряжение вышло U вых = 2.72 В при токе I вых = 0.31 А, при этом на входе U пит = 10.88 В, т.е. рассеивается примерно:

Для второго светодиода, в котором три кристалла соединены последовательно U вых = 10.32 В, I вых = 0.29 А при U пит = 11.22 В, получаем:

P2 = (U пит - U вых )*I вых = (11.22-10.32)*0.31 = 0.9*0.31 = 0.279 Вт

Когда входное напряжение как можно меньше отличается от нужного напряжения питания для обеспечения требуемого тока, тогда и достигается высокий КПД (со вторым СИД i = 92%) при простоте исполнения.

Заменим резистор, определяющий выходной ток источника тока на 470 Ом, тогда получим выходной ток:

I вых = U БЭ /R2 = 0.6 / 471 = 1276 мкА

Таким образом при питании 12 В подключаем светодиод 5 мм, через него проходит ток ~1.3 мА, через два/три светодиода ток будет такой же, ведь напряжения питания хватает для этого.

Ещё сделал небольшой график зависимости выходного стабильного тока от напряжения питания стабилизатора тока. Сначала происходит выход на номинальный ток (когда напряжения питания не хватает для I ст ), а потом всё прекрасно, при изменении напряжения в три раза (с 10 до 30 В) изменение тока всего на 0.64 мА или 4.22%.

Увеличение стабильности

При работе часть энергии рассеивается, происходит нагрев платы и компонентов схемы, параметры плывут, а главное изменяется напряжение насыщения ( U БЭ ) транзистора VT2, те самые ~0,7 В будут изменяться, что приведёт к изменению выходного тока.

ТКН (Температурный Коэффициент Напряжения) pn-перехода транзистора отрицательный, при повышении температуры U БЭ будет уменьшаться. Для термостабилизации вводим дополнительно элемент с положительным ТКН – стабилитрон (с U ст > 6.5 В), тогда при нагреве напряжение на одном компоненте (VT2) будет уменьшаться, а на другом (D1) увеличиваться, таким образом получается компенсация. В совершенстве ТКН обоих приборов должен быть равен по величине и противоположным по знаку, а нагрев происходить одинаково (именно поэтому они расположены рядом на плате).

Также добавлен ещё один транзистор VT3, который выступает источником тока для VT2, что придаст ещё большей стабильности, т.к. при изменении напряжения питания в определённом диапазоне ток базы VT2 почти не будет изменяться.

Печатные платы

Всё уместилось на маленьком кусочке (3 на 2 см) фольгированного текстолита, тепло отводится путём крепления всей платы на кусок алюминия винтами, спроектирована она с расчётом на крепёж M2, чтобы легко и надёжно закрепить её или попросту приклеить к теплоотводу теплопроводящим клеем (Stars 922). При необходимости её можно легко уменьшить почти в два раза раза два.

Список компонентов

Видео

В конечном счете

Такой условный источник тока можно использовать как стабилизатор тока для светодиодов в автомобиле (12 В-14,4 В), с помощью него подключать лазеры к какому-то трансформатору или ИБП со скачущим напряжением в несколько вольт или использовать в схемах зарядных устройств. Но, как вы поняли использовать данное устройство можно с любой другой нагрузкой, требующей стабильного значения электрического тока. Этот стабилизатор рассеивает “лишнюю” энергию в виде теплоты, что может быть неприемлемо в ситуациях, когда разница напряжений большая и протекающий ток не мал, но, например, в условиях когда входное напряжение не сильно превышает выходное и ток стабилизации мал, почему бы и нет?

Несложная схема для регулирования, а также стабилизации напряжения представлена на картинке выше, её сможет собрать даже новичок в электронике. К примеру, на вход подано 50 вольт, а на выходе получаем 15,7 вольт или другое значение до 27V.

Схема регулируемого стабилизатора

Основной радиодеталью данного устройства является полевой (MOSFET) транзистор, в качестве которого можно использовать IRLZ24/32/44 и другие подобные. Наиболее часто они производятся компаниями IRF и Vishay в корпусах TO-220 и D2Pak. Стоит около 0.58$ грн в розницу, на ebay 10psc можно приобрести за 3$ (0,3 доллара за штуку). Такой мощный транзистор имеет три вывода: сток (drain), исток (source) и затвор (gate), он имеет такую структуру: металл-диэлектрик(диоксид кремния SiO2)-полупроводник. Микросхема-стабилизатор TL431 в корпусе TO-92 обеспечивает возможность настраивать значение выходного электрического напряжения. Сам транзистор я оставил на радиаторе и припаял его к плате с помощью проводков.

Сглаживающие конденсаторы C1,C2 могут иметь ёмкость 10-22 мкФ, C3 4,7 мкФ. Без них схема и так будет работать, но не так хорошо, как нужно. Не забываем про вольтаж электролитических конденсаторов на входе и выходе, мною были взяты все рассчитаны на 50 Вольт.

Мощность, которую сможет рассеять такой стабилизатор напряжения не может быть более 50 Ватт. Полевой транзистор обязательно устанавливается на радиатор, рекомендуемая площадь поверхности которого не менее 200 квадратных сантиметров (0,02 м2). Не забываем про термопасту или подложку-резинку, чтобы тепло лучше отдавалось.

Возможно использование подстрочного резистора 33k типа WH06-1, WH06-2 они имеют достаточно точную регулировку сопротивления, вот так они выглядят, импортный и советский.

Для удобства на плату лучше припаять две колодки, а не провода, которые легко отрываются.

Печатная плата для дискретных элементов и переменного резистора типа СП5-2 (3296).

Стабильность неплоха и напряжение изменяется только на доли вольта на протяжении длительного времени. Готовая платка получилась компактна и удобна. Так как я планирую длительное время использовать это устройство для защиты дорожек окрасил всё дно платы зеленым цапонлаком. Автор материала – Егор.

Обсудить статью СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Схема регулируемого стабилизатора

Для удобства на плату лучше припаять две колодки, а не провода, которые легко отрываются.

Печатная плата для дискретных элементов и переменного резистора типа СП5-2 (3296).

Обсудить статью СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Схема и испытания готового тестера, для проверки параметров транзисторов, тиристоров, диодов и конденсаторов.

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

В предыдущей статье мы рассматривали схемы ЗУ с использованием в качестве силового ключа мощные p-n-p или n-p-n транзисторы. Они позволяли получить достаточно большой ток при небольшом количестве радиодеталей, но у используемых биполярных транзисторов имеется существенный недостаток…

— это большое падение напряжения коллектор-эмиттер в режиме насыщения, достигающее 2 … 2,5 В у составных транзисторов, что приводит к их повышенному нагреву и необходимости установки транзисторов на большой радиатор.

Гораздо экономичней вместо биполярных транзисторов устанавливать силовые МОП (MOSFET) транзисторы, которые при тех же токах имеют гораздо меньшее (в 5 -10 раз) падение напряжения на открытом переходе сток-исток. Проще всего вместо силового p-n-p транзистора установить мощный p-канальный полевой транзистор, ограничив с помощью дополнительного стабилитрона напряжение между истоком и затвором на уровне 15В. Параллельно стабилитрону подключается резистор сопротивлением около 1 кОм для быстрой разрядки ёмкости затвор-исток.

Гораздо более распространены и доступней силовые n- канальные МОП транзисторы, но принципиальная схема устройства с такими транзисторами несколько усложняется, т.к. для полного открытия канала сток-исток на затвор необходимо подать напряжение на 15 В выше напряжения силовой части. Ниже рассмотрена схема такого устройства.

Мощный лабораторный блок питания 1,5 -30В, 0-5А на MOSFET транзисторе

Основа конструкции мало отличается от ранее рассмотренных устройств на биполярных силовых транзисторах. С помощью конденсаторов С1-С3 и диодов VD1-VD5 в схеме формируется повышенное на 15 В напряжение, которое с помощью транзисторов VT2, VT3 подаётся на затвор полевого транзистора VT1.

В схеме желательно использовать MOSFET с наиболее низким сопротивлением открытого канала, но максимальное допустимое напряжение этих транзисторов должно быть в 1,5 — 2 раза выше напряжения силовой цепи. В качестве диода VD8 желательно использовать диоды с барьером Шоттки с рабочим напряжением выше максимального в силовой цепи, в крайнем случае можно использовать КД213А или КД2997, КД2799, но их придётся установить на небольшой радиатор. Требования к изготовлению накопительного дросселя DR1 такие же как и в зарядных устройствах с биполярными ключевыми транзисторами.

При отсутствии подходящего проволочного резистора, используемого в качестве токового шунта R17 схему можно доработать, используя небольшой отрезок манганинового провода диаметром 2 мм или мощные проволочные резисторы сопротивлением 0,01 …0,05 Ом.

Следующая схема имеет нормализацию напряжения на токовом шунте и усилителя на ОУ.

Лабораторный блок питания с усилителем-нормализатором напряжения шунта

Предлагаемая схема отличается от описанной, выше наличием операционного усилителя DA2, что позволяет можно использовать как любой проволочный резистор сопротивлением 0,01 … 0,05 Ом и мощностью 1 — 2 Вт, так и кусок подходящего нихромового или манганинового провода диаметром 1,5 … 2 мм.

Операционный усилитель усиливает напряжение шунта до уровня, необходимого для нормальной работы компаратора микросхемы DA1. Коэффициент усиления ОУ DA2 определяется соотношением сопротивлений резисторов R15 и R18 и определяется из условия получения на выходе ОУ напряжения 0,5 … 3 В при выбранном максимальном выходном токе устройства.

Выходной ток регулируется переменным резистором R4, максимальное напряжение на движке которого должно быть равно напряжению на выходе ОУ DA2 при максимальном рабочем токе. Сопротивление переменного резистора R4 может быть любым в пределах 1 … 100 К, а максимальное напряжение на его движке определяется сопротивлением резистора R6.

Схема позволяет получить гораздо больший выходной ток, чем выбранный автором — максимальная величина тока определяется мощностью силового трансформатора, элементами силовой цепи и настройкой узла ограничения выходного тока. В качестве DA2 может быть использован практически любой доступный операционный усилитель, например КР140УД1408, КР140УД608, КР140УД708, mA741 и т.д.

Конденсатор частотной коррекции C9 может отсутствовать при использовании ОУ, не требующих его использования. В случае использования ОУ типа КР140УД1408 (LM308) его припаивают между выводами 1 и 8, у других ОУ выводы могут быть иными.

Лабораторный блок питания отличается от ранее описанного зарядного устройства гораздо большим максимальным выходным напряжением. Автором выбрано напряжение 30В, но если использовать трансформатор с большим выходным напряжением и применить более высоковольтные силовые элементы, можно получить гораздо более высокие значения.

Регулировка выходного напряжения осуществляется переменным резистором R16, сопротивление которого может быть в пределах 3,3 … 100кОм. Верхний предел выходного напряжения определяется сопротивлением резистора R17 из расчёта получения напряжения 1,5 В на движке переменного резистора R16 в его нижнем, по схеме, положении.

Схему можно упростить, исключив регуляторы тока и напряжения, а также измерительную головку, если устройство будет использоваться только для зарядки одного типа аккумуляторов. Вместо переменного резистора — регулятора выходного напряжения на печатной плате установлен многооборотный подстроечный резистор R15, а ограничение выходного тока задаётся делителем на резисторах R4, R5.

Для исключения выхода из строя диода VD11 при случайной переполюсовке аккумулятора установлен предохранитель FU2. В качестве транзисторов VT2, VT3 можно использовать любые маломощные транзисторы соответствующей структуры на напряжение 60В и ток коллектора 100мА, например КТ209Е, КТ3102Б и т.д.

В авторском варианте схема настраивалась на выходной ток 3,0 А, но его легко повысить до 6А и более, уменьшив номинал резистора R13 до 5,0 кОм.

Внешний вид платы и расположение элементов:

Предложенная схема лабораторного блока питания можно дополнить узлом защиты нагрузки от неконтролируемого повышения выходного напряжения, например, при пробое выходного транзистора или неисправности в схеме. Смотрите следующую схему:

ЛАБОРАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ С ЗАЩИТОЙ

Предлагаемый лабораторный блок питания отличается от схемы, выше наличием узла защиты нагрузки от повышенного напряжения. При включении блока питания напряжение на его выходе отсутствует, что исключает случайный выход из строя подключенной нагрузки из-за начального несоответствия установленного напряжения и требуемого. Узел ручного включения / отключения нагрузки собран на транзисторах VT5, VT7 и реле K1.

В этом состоянии на коллекторе транзистора VT7 низкий потенциал, а на коллекторе VT5 высокий. Конденсатор C10 через резистор R19 заряжается до напряжения 35В, плюсом к нижней, по схеме, обкладке и минусом к базе транзистора VT7. При повторном нажатии кнопки SB1 через резистор R30 и конденсатор С10 к базе VT7 прикладывается отрицательное напряжение — транзистор запирается, отключается реле К1, снимая напряжение с нагрузки, запирается транзистор VT5 и схема приходит в исходное состояние до следующего нажатия кнопки SB1.

Защита также сработает при быстром вращении оси переменного резистора R20 в сторону уменьшения выходного напряжения, что позволяет быстро отключить нагрузку, если случайно было установлено его недопустимо высокое значение.

Настройка схемы управления описана на предыдущей странице, а конструктивное исполнение накопительного дросселя приведено в предыдущих публикациях раздела зарядных устройств. Транзистор VT1 и диоды VD7, VD10 следует установить на небольшие радиаторы, площадь которых зависит от выбранного максимального рабочего тока.

Параметры силового трансформатора полностью определяются максимальными значениями выходного тока и напряжения — его мощность должна быть не менее, чем на 20% выше максимальной выходной мощности блока питания на нагрузке.

Почти все элементы схемы размещены на печатной плате, внешний вид которой изображен на рисунке. Отдельно установлен силовой трансформатор, измерительный прибор, выключатель питания, регуляторы тока и напряжения, кнопка пуска, предохранители, выходные клеммы и светодиодные индикаторы. На плате предусмотрена установка различных типов диодов в качестве VD10, даже двойных.

Все предложенные схемы можно использовать также и в качестве зарядных устройств.

При разработке электрических схем часто возникает необходимость применения стабилизаторов напряжения малой или средней мощности (до 1,5 А) или источников образцового напряжения. Удобно, если такой узел имеется в интегральном исполнении, в виде единой микросхемы. Ряд из 9 номиналов постоянных напряжений с номиналами от 5 до 24 В закрывают стабилизаторы серии 78ХХ. Ниша работы LM317 – напряжения выше (до 37 В) и ниже (до 1,2 В) данного диапазона, промежуточные значения напряжения, регулируемые стабилизаторы.

Принцип работы (работа стабилизатора тока)

Пусть наша нагрузка это R, будем считать, что её сопротивление почти не изменяется (R = const), ток мы хотим неизменный (I = const), а что у нас остаётся – только выходное напряжение на источнике тока, его то и будет подбирать схема, причём не просто от балды, а именно такое, при котором через вышеупомянутою нагрузку R потечёт ровно тот ток I, на который рассчитано устройство.

А вот разбор работы самой схемы:

после подключения источника питания через резистор R1 открывается полевой транзистор, через резистор R2-открытый канал сток-исток VT1 и нагрузку (светодиод) течёт ток. Чем больший ток, тем больше будет падать напряжения на резисторе, и когда оно достигнет значения открытия VT2 (для кремниевого биполярного примерно 0,60-0,75 В) тот откроется, через его ЭК потечёт ток от минуса к затвору VT1, тем самым прикрыв его, но не полностью, ведь R1 никуда не девается.

Примечание. Детали для данного экземпляра взяты со старых плат, в частности мощный полевой N-канальный транзистор MTD20N06V в DPAK (TO-252) исполнении с материнки, у него сопротивление открытого канала 65 мОм, а максимальное длительно приложенное напряжение затвор-исток 20 Вольт, питается схема от БП 12 Вольт (скачки напряжения не более нескольких Вольт), поэтому диод Зенера не понадобится. Биполярный транзистор – это известный BC847A в SOT-23 корпусе. Резистор R1 = 11 кОм, R2 = 2 Ом типоразмера 1205 и мощностью 0.25 Вт. Этот экземпляр предназначен для стабилизированного тока:

Iстаб = UБЭ * R2 = 0.6 В / 2 Ом = 300 мА

Как сделать стабилизатор тока для светодиодов самостоятельно

Изготовление стабилизатора для светодиодов своими руками осуществляется несколькими способами. Новичку целесообразно работать с простыми схемами.

На основе драйверов

Понадобится выбрать микросхему, которую трудно выжечь – LM317. Она будет выполнять роль стабилизатора. Второй элемент – переменный резистор с сопротивлением в 0,5 кОм с тремя выводами и ручкой регулировки.

Сборка осуществляется по следующему алгоритму:

Припаять проводники к среднему и крайнему выводу резистора.
Перевести мультиметр в режим сопротивления.
Замерить параметры резистора – они должны равняться 500 Ом.
Проверить соединения на целостность и собрать цепь.

На выходе получится модуль с мощностью 1,5 А. Для увеличения тока до 10 А можно добавить полевик.

Стабилизатор для автомобильной подсветки

Стабилизатор L7812
Для работы потребуется линейный прибор в виде микросхемы L7812, две клеммы, конденсатор 100n (1-2 шт.), текстолитовый материал и трубка с термоусадкой. Изготовление производится пошагово:

Выбор схемы под L7805 из даташита.
Вырезать из текстолита нужный по размеру кусок.
Наметить дорожки, делая насечки отверткой.
Припаять элементы так, чтобы вход был слева, а выход – справа.
Сделать корпус из термотрубки.

Стабилизирующее устройство выдерживает до 1,5 А нагрузки, монтируется на радиатор.

В качестве радиатора задействуется кузов машины за счет соединения центрального вывода корпуса с минусом.

Испытание

Дорожки были начерчены маркером, поэтому плата немного отличается от разработанной, крепления под винтики сделаны не были. Подключаем устройство к источнику питания (у меня был трансформатор 12В с диодным мостом и конденсатором), теперь зная, что ток относительно невелик я тупо замкнул выход амперметром, рассчитанным на измерение постоянного тока до 20А, показания ниже:
Это адекватный результат для такой схемы. Далее были подключены по очереди два светодиода 10 Вт с различным напряжением питания. Для СД с одним кристаллом напряжение вышло Uвых = 2.72 В при токе Iвых = 0.31 А, при этом на входе Uпит = 10.88 В, т.е. рассеивается примерно:

Для второго светодиода, в котором три кристалла соединены последовательно Uвых = 10.32 В, Iвых = 0.29 А при Uпит = 11.22 В, получаем:

P2 = (Uпит — Uвых)*Iвых = (11.22-10.32)*0.31 = 0.9*0.31 = 0.279 Вт

Заменим резистор, определяющий выходной ток источника тока на 470 Ом, тогда получим выходной ток:

Iвых = UБЭ/R2 = 0.6 / 471 = 1276 мкА

Ещё сделал небольшой график зависимости выходного стабильного тока от напряжения питания стабилизатора тока. Сначала происходит выход на номинальный ток (когда напряжения питания не хватает для Iст), а потом всё прекрасно, при изменении напряжения в три раза (с 10 до 30 В) изменение тока всего на 0.64 мА или 4.22%.

Конструкция и принцип работы

Стабилизатор обеспечивает постоянство тока при его отклонении
Стабилизатор обеспечивает постоянство показателей рабочего тока LED-диодов при его отклонении от нормы. Он предотвращает перегрев и выгорание светодиодов, поддерживает постоянство потока при перепадах напряжения или разрядке АКБ.

Простейшее устройство состоит из трансформатора, выпрямительного моста, соединенного с резисторами и конденсаторами. Действие стабилизатора основывается на следующих принципах:

подача тока на трансформатор и изменение его предельной частоты до частоты электросети – 50 Гц;
регулировка напряжения на повышение и понижение с последующим выравниванием частоты до 30 Гц.

В процессе преобразования также задействуются выпрямители высоковольтного типа. Они определяют полярность. Стабилизация электрического тока осуществляется при помощи конденсаторов. Для снижения помех применяются резисторы.

Увеличение стабильности

При работе часть энергии рассеивается, происходит нагрев платы и компонентов схемы, параметры плывут, а главное изменяется напряжение насыщения ( UБЭ) транзистора VT2, те самые ~0,7 В будут изменяться, что приведёт к изменению выходного тока.

ТКН (Температурный Коэффициент Напряжения) pn-перехода транзистора отрицательный, при повышении температуры UБЭ будет уменьшаться. Для термостабилизации вводим дополнительно элемент с положительным ТКН – стабилитрон (с Uст > 6.5 В), тогда при нагреве напряжение на одном компоненте (VT2) будет уменьшаться, а на другом (D1) увеличиваться, таким образом получается компенсация. В совершенстве ТКН обоих приборов должен быть равен по величине и противоположным по знаку, а нагрев происходить одинаково (именно поэтому они расположены рядом на плате).

Также добавлен ещё один транзистор VT3, который выступает источником тока для VT2, что придаст ещё большей стабильности, т.к. при изменении напряжения питания в определённом диапазоне ток базы VT2 почти не будет изменяться.

Немного теории:

Стабилизаторы бывают линейные
и
импульсные
.
Линейный стабилизатор
представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin — Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади.
Преимущество
линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.
Недостаток
— низкий КПД, большое тепловыделение.
Импульсный стабилизатор
напряжения — это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть бо?льшую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением, а значит, может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.
Преимущество
импульсного стабилизатора — высокий КПД, низкое тепловыделение.
Недостаток
— бОльшее количество элементов, наличие помех.

Печатные платы

Только шелкография: pcb_current_source_silk.pdf Только дорожки: pcb_current_source_solder.pdf Дорожки и шелкография: pcb_current_source_solder_silk.pdf Только шелкография: pcb_current_source_silk.pdfТолько дорожки: pcb_current_source_improved_solder.pdfДорожки и шелкография: pcb_current_source_improved_solder_silk.pdf

Стабилизатор тока на полевом транзисторе схема

Скачки сетевого напряжения очень часто приводят к выходу из строя электроприборов, устройств и прочего оборудования. Для того чтобы предупредить возникновение подобных ситуаций применяются различные стабилизирующие устройства. Среди них широкой популярностью пользуются стабилизаторы тока на полевых транзисторах, обеспечивающие стабильную работу электрооборудования. В быту часто используется стабилизатор постоянного тока своими руками, схема которого позволяет решать основные задачи.

Список компонентов

Обозначение	Описание	Купить на Aliexpress
VT1	Мощный полевой транзистор	10pcs 2SK3919 TO-252 K3919 TO252Цена: 0.98$ + 0.32$ = 1.3$
VT2	Маломощный транзистор	100pcs/lot BC847B SOT-23 BC847 SOT SMD 847B SOT-23Цена: 0.79$
R1, R2	Резисторы 1205 0.25 Вт (пачка 660 шт.)	1206 SMD Resistor Kit Assorted Kit 1ohm-1M ohm 1% 33valuesX 20pcs=660pcsЦена: 3.20$
Теплопроводящий клей Stars 922	Star-922 Thermal Paste Thermal Grease Silicone Цена: 1.54$

Устройство импульсного стабилизатора

Схемы импульсных преобразователей, получившие наиболее широкое распространение, оборудуются реактивным элементом – дросселем, к которому энергия подкачивается определенными порциями с помощью специального ключа, еще называемого коммутатором. Подкачка осуществляется от входной цепи и далее поступает на нагрузку. В результате, такой режим работы дает существенную экономию электроэнергии, особенно, если стабилизатор работает на полевом транзисторе.

Однако, несмотря на явные преимущества, у импульсных преобразователей имеется ряд недостатков, для преодоления которых используются различные технические и конструктивные решения. В первую очередь это связано с электромагнитными и другими помехами, возникающими в процессе работы импульсного конвертера, а также сложной конструкцией устройства. Во время эксплуатации невозможно достичь максимального эффекта, поскольку происходит нагрев и энергия затрачивается впустую.

Немаловажное значение имеет высокая стоимость импульсных устройств. Тем не менее, для многих схем экономия электроэнергии выступает на передний план, поэтому негативное влияние недостатков в большинстве случаев удается максимально снизить.

В конечном счете

Герой обзора:

Лот состоит из 10 микросхем в корпусе ТО-220. Стабилизаторы пришли в полиэтиленовом пакете, обмотанным вспененным полиэтиленом.

Тестирование:
Подобные стабилизаторы выпускаются многими производителями, вот ссылка на руководство от Texas Instruments. Расположение ножек следующее:

1 — регулировка; 2 — выход; 3 — вход. Собираем простейший стабилизатор напряжения по схеме из руководства:

Результаты, прямо скажем так, не очень. Стабилизатором это назвать язык не поворачивается. Далее я нагрузил стабилизатор 25 Омным резистором и картина полностью преобразилась:

Далее я решил проверить зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, для чего задал входное напряжения 15В, подстроечным резистором выставил выходное напряжение около 5В, и выход нагрузил переменным 100 Омным проволочным резистором. Вот что получилось:

Ток более 0,8А получить не удалось, т.к. начало падать входное напряжение (БП слабый). В результате этого тестирования, стабилизатор с радиатором нагрелся до 65 градусов:

Для проверки работы стабилизатора тока, была собрана следующая схема:

Стабилизация по току тоже хорошая. Ну и как обзор может быть без сжигания героя? Для этого я собрал снова стабилизатор напряжения, на вход подал 15В, выход настроил на 5В, т.е. на стабилизаторе упало 10В, и нагрузил на 0,8А, т.е. на стабилизаторе выделялось 8Вт мощности. Радиатор убрал. Результат продемонстрировал на следующем видео:

Да, защита от перегрева тоже работает, сжечь стабилизатор не удалось.

Читайте также: