Регулируемый стабилизатор напряжения с "резисторным теплоотводом"

Регулируемый стабилизатор напряжения

В предлагаемом стабилизаторе напряжения часть рассеиваемой энергии отведена от регулирующих транзисторов в мощные резисторы, размещённые снаружи на задней стенке корпуса прибора. Благодаря этому удалось снизить температуру внутри корпуса и, соответственно, повысить стабильность выходного напряжения.

Стабилизатор напряжения, собранный по описанию в статье [1]Каныгин С. Регулируемый стабилизатор напряжения с тепловой защитой. — Радио, 2007, № 12, с. 32, 33, был изготовлен и испытан в нескольких экземплярах. Когда это было возможно, теплоотвод с регулирующим транзистором устанавливался снаружи прибора на его задней стенке. Но, к сожалению, некоторые имеющиеся в продаже готовые корпусы оказались для этого непригодны, поэтому теплоотводы приходилось устанавливать внутри. От регулирующего узла нагревалась также микросхема с источником образцового напряжения.

В результате выходное напряжение стабилизатора дрейфовало на несколько милливольт за час работы, что очень заметно при малом выходном напряжении. Некоторые детали стабилизатора, например микросхема К1156ЕР1П, и, как ни странно, диоды КД105Б датчика температуры могут отсутствовать в продаже.

С целью устранения указанных недостатков разработан усовершенствованный стабилизатор, схема которого показана на рисунке. Его параметры практически такие же, как у прототипа [1], но долговременная стабильность выходного напряжения при максимальной рассеиваемой мощности в несколько раз выше. Узел управления устройством выполнен на микросхеме КР142ЕН14 (DA1) . На транзисторе VT1 собран узел ограничения максимального выходного тока стабилизатора. Транзистор VT2 усиливает сигнал с выхода Vz микросхемы DA1. Регулирующий узел образуют транзисторы VT3— VT5 и резистор R18. Узел тепловой защиты регулирующих транзисторов собран на микросхеме DA2 и диодных сборках — термодатчиках VD3 и VD4.

Устройство работает так. Часть выходного напряжения стабилизатора подаётся через резистор R8 на инвертирующий вход усилителя сигнала ошибки микросхемы DA1. Повышение напряжения стабилизатора приводит к увеличению тока через резистор R8 и к уменьшению тока через микросхему и регулирующий узел и, соответственно, к восстановлению исходного выходного напряжения, которое регулируют грубо резистором R7 и точно — резистором R4.

При перемещении движка резистора R7 вверх по схеме повышается напряжение на инвертирующем входе микросхемы DA1, в результате чего уменьшается ток через неё, что приводит к изменению тока через резистор R8, благодаря чему равенство напряжений на входах 4 и 5 микросхемы DA1 восстанавливается при более низком выходном напряжении. При обрывах в цепях движков переменных резисторов R4 и R7 выходное напряжение не может стать больше, чем оно могло быть установлено этими резисторами. Перемещением движка подстроечного резистора R3 устанавливают минимальное выходное напряжение (около 0,1 В) при верхнем по схеме положении движка резистора R7.

Выходной сигнал микросхемы DA1 усиливается транзистором VT2 и поступает на регулирующий узел, выполненный на транзисторах VT3—VT5 и резисторе R18 мощностью не менее 40 Вт. Усовершенствованный регулирующий узел позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую его транзисторами путём отвода части этой мощности на параллельно соединённые мощные резисторы, обозначенные на схеме как один резистор R18. Дело в том, что многие из имеющихся в продаже приборных корпусов не приспособлены для установки на их задней стенке, снаружи прибора, тяжёлого и крупногабаритного теплоотвода регулирующих транзисторов. Однако почти все эти корпусы допускают установку на их задней стенке одного или нескольких мощных резисторов. Если отвести на эти резисторы значительную часть мощности, выделяемой регулирующим узлом, стабилизатор будет меньше нагреваться изнутри, что повысит как его надёжность, так и долговременную стабильность выходного напряжения. Регулирующие транзисторы VT3 и VT5 можно непосредственно установить на один теплоотвод, так как их коллекторы соединены.

Регулирующий узел работает так. Током коллектора транзистора VT2 приоткрывается регулирующий транзистор VT3, ток нагрузки течёт через этот транзистор и резистор R18. Если ток нагрузки небольшой, напряжение между эмиттером транзистора VT3 и выходом стабилизатора будет, скорее всего, больше 3 В. В этом случае напряжение на коллекторе транзистора VT2 с учётом падения напряжения на стабилитроне VD5 окажется больше выходного и транзистор VT4, а следовательно, и транзистор VT5 будут закрыты.

Если ток нагрузки увеличивается, то вследствие возрастания падения напряжения на резисторе R18 уменьшается напряжение на эмиттере транзистора VT3 и снижается напряжение между эмиттером транзистора VT3 и выходом стабилизатора. Может оказаться, что напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT3 станет меньше 3 В, т. е. этот транзистор будет в режиме, близком к насыщению. Но в таком случае напряжение на коллекторе транзистора VT2 также понизится и станет меньше выходного, откроются транзисторы VT4, VT5 и часть тока потечёт в нагрузку в обход резистора R18. Очевидно, чем меньше выходное напряжение, тем больший ток стабилизатор может отдавать в нагрузку через резистор R18 без открывания транзистора VT5. В предлагаемом стабилизаторе сопротивление резистора R18 выбрано так, что при выходном напряжении менее 8 В транзистор VT5 не открывается даже при максимальном выходном токе и не менее половины рассеиваемой стабилизатором мощности отводится на резистор R18.

В предлагаемом стабилизаторе предусмотрено ограничение максимального тока нагрузки. При фиксированном токе коллектора транзистора VT2 от тока нагрузки зависит, какой из регулирующих транзисторов открыт. Поэтому пришлось применить более сложный узел ограничения максимального выходного тока с датчиком тока R1. К сожалению, это увеличивает минимальное падение напряжения между входом и выходом стабилизатора до 1 В. Ещё один вольт желательно иметь в запасе, поэтому на схеме указано минимальное рекомендуемое входное напряжение с учётом его пульсаций. Напряжение, создаваемое током нагрузки на резисторе R1, поступает на базу транзистора VT1. При перегрузке по току этот транзистор открывается, ток его коллектора закрывает регулирующий узел.

Работа узла тепловой защиты регулирующих транзисторов основана на снижении прямого напряжения диодных сборок — термодатчиков VD3, VD4 при повышении температуры. Термодатчики VD3, VD4 находятся в тепловом контакте с регулирующими транзисторами. При перегреве любого из них напряжение на входе 1 микросхемы DA2 становится ниже 2,5 В, в результате чего ток, текущий через резистор R13, начинает течь через стабилитрон VD1 и резистор R12, создавая на нём падение напряжения, которое отключает микросхему DA1 по её входу 2 (CL), а следовательно, и весь стабилизатор на время, пока регулирующие транзисторы не остынут.

Управляющий узел на микросхеме DA1 и резисторах R3—R11 чувствителен к электромагнитным помехам и температуре, поэтому наиболее длинные проводники этого узла лучше экранировать, а сам узел поместить подальше от сетевого трансформатора и сильно нагревающихся элементов. Точки подключения к общему проводу резисторов R3 и R11, микросхемы DA1 и экраны следует соединить между собой и подключить отдельным проводом к минусовому выводу конденсатора С2. Вывод 2 микросхемы DA2, нижний по схеме вывод резистора R14 и выводы 6 диодных сборок VD3 и VD4 также соединяют между собой и отдельным проводом с минусовым выводом конденсатора С2. Диодные сборки лучше подключать тонкими проводами, чтобы через толстые не уходило тепло, снижая чувствительность защиты.

Регулирующие транзисторы VT3 и VT5 устанавливают на теплоотводе площадью не менее 200 см2, остальные транзисторы — не менее 20 см2. Диодные сборки VD3 и VD4 содержат по четыре включённых последовательно кремниевых диода. В принципе, годятся практически любые диоды, но их корпус должен обеспечивать хороший тепловой контакт с регулирующими транзисторами и быть малогабаритным, чтобы не увеличивать инерционность защиты.

Очень хороша в качестве термодатчика транзисторная сборка КТС622А, в которой надо последовательно включить три эмиттерных перехода, как диоды.

Стабилитрон КС515А (VD2) можно заменить двумя последовательно соединёнными стабилитронами малой мощности с суммарным напряжением 15 В, например, Д814А и КС168А.

Постоянные резисторы блока управления R5, R6, R8—R11 лучше применить точные и термостабильные от измерительных приборов, например, из серий БЛП, С2-13. Подстроечные резисторы лучше взять проволочные, например СП5-2. При обрыве верхнего по схеме вывода резистора R7 выходное напряжение стабилизатора возрастёт до максимума, поэтому этот резистор, а ещё лучше и резистор R4 должны быть надёжными, например, из серий СПЗ-40, ППБ. Резистор R18 должен быть мощностью не менее 40 Вт, например, из серии ПЭВ.
Микросхема КР142ЕН14 имеет импортные аналоги: LM723J, LM723CN, МАА723, рА723. Микросхема КР142ЕН19А также имеет полные импортные аналоги TL431, PL431.

Налаживание стабилизатора начинают с подбора резистора R1 — датчика выходного тока. Сначала устанавливают резистор заведомо большего сопротивления, измеряют максимальный выходной ток, затем, уменьшая сопротивление резистора R1, увеличивают ток до требуемого.

Налаживание узла тепловой защиты проводят с помощью вольтметра с входным сопротивлением не менее 1 МОм. После включения, пока стабилизатор не нагрелся, перемещают движок резистора R17 и измеряют напряжение на входе микросхемы DA2, при котором стабилизатор отключается. Затем разрывают цепь входа микросхемы DA2 и перемещением движка резистора R17 вверх по схеме повышают напряжение на нём на 250...300 мВ. После этого восстанавливают соединение входа микросхемы DA2 с резисторами R14 и R17. Если вход микросхемы не отключить, то из-за влияния входного тока микросхемы точность установки срабатывания защиты ухудшится.

Некоторые экземпляры микросхем КР142ЕН19А и её импортных аналогов могут генерировать в открытом состоянии синусоидальное напряжение с размахом около 0,3 В и частотой в несколько мегагерц. Хотя такое малое напряжение не может повлиять на работу микросхемы DA1, его лучше устранить, подключив между её выводом 2 и общим проводом керамический конденсатор ёмкостью около 0,1 мкФ.

Из-за невозможности полного закрывания регулирующих транзисторов минимальное напряжение на выходе устройства без нагрузки может быть несколько больше нуля. Его можно уменьшить, подключив к выходу стабилизатора резистор, сопротивление которого подбирают экспериментально.

ЛИТЕРАТУРА
1. Каныгин С. Регулируемый стабилизатор напряжения с тепловой защитой. — Радио, 2007, № 12, с. 32, 33
2. Нефедов А., Головина В. Микросхема КР142ЕН14. — Радио, 1993, № 10, с. 42; 1994, № 1, с. 41,42; 1994, № 2, с. 43.
3. Янушенко Е. Микросхема КР142ЕН19. — Радио, 1994, № 4, с. 45, 46.