Использование мощных полевых транзисторов

Использование мощных полевых транзисторов и операционных усилителей в прецизионных регуляторах и стабилизаторах напряжения

Введение

Применение ИОУ обеспечивает высокую точность регулирования выходного напряжения. Однако использование интегральных операционных усилителей (ИОУ) для управления мощными полевыми транзисторами в стабилизаторах напряжения имеет некоторые особенности.

Ниже будут кратко рассмотрены принципы построения стабилизаторов на базе мощных полевых транзисторов и ИОУ, схемы формирования опорного напряжения и приведены практические схемы стабилизаторов и рисунки печатных плат.

Структурные схемы

СТАБИЛИЗАТОРОВ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Стандартная схема стабилизатора положительной полярности на базе N-канального полевого транзистора хорошо известна. Её основной недостаток заключается в том, что для открытия N-канального полевого транзистора на его затвор требуется подать напряжение, превышающее напряжение истока на 1,5...5 В. Для построения стабилизатора с низким падением напряжения между стоком и истоком, это дополнительное напряжение должно превышать и напряжение стока, т.е. входное напряжение, что вызывает усложнение схемы и конструкции стабилизатора.

Необходимое напряжение можно получить либо от дополнительной обмотки силового трансформатора, либо путём использования в мостовом выпрямителе отдельных диодов и конденсаторов для удвоения выпрямленного напряжения, либо с помощью отдельного высокочастотного преобразователя, построенного по так называемой схеме накачки заряда (charge pump). Так, например, работает стабилизатор +ЗВ TPS73133 фирмы Texas Instruments . Хотя подобная схема используется в некоторых современных интегральных стабилизаторах, она не получила широкого распространения.

Схема стабилизатора напряжения положительной полярности на базе Р-канального полевого транзистора является более распространённой, однако, как правило, она строится на дискретных элементах. Подобная схема на ИОУ используется в интегральном стабилизаторе MC78LC00 , который впервые выпустила фирма Motorola, а впоследствии стала выпускать и фирма On Semiconductor.

Принцип работы этой схемы заключается в следующем. Для открытия Р-канального полевого транзистора необходимо, чтобы напряжение на его затворе было ниже напряжения на истоке (т.е. входного напряжения) на 1,5...5 В, поэтому потенциал затвора должен находиться в пределах входного напряжения, что является преимуществом по сравнению со схемой на N-канальном транзисторе. При уменьшении выходного напряжения под нагрузкой уменьшается и напряжение в точке соединения резисторов R1 и R2. Поскольку это напряжение подано на неинвертирующий вход ИОУ, выходное напряжение ИОУ (и, соответственно, потенциал затвора транзистора) будет уменьшаться, что приведёт к тому, что Р-канальный транзистор будет приоткрываться, в результате чего выходное напряжение Источники ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ СТАБИЛИТРОНОВ И ИОУ



Поскольку микросхемы ИОУ ТСА0372 и TL062/72/082 содержат два независимых ИОУ, для получения положительного или отрицательного опорного напряжения имеет смысл использовать один из них. Коэффициент стабилизации в подобных схемах достигает порядка 10 ООО, т.е. если изменение входного напряжения Un составит 10 В, то изменение выходного напряжения, использующегося как опорное (t/on), не превысит 1 мВ [3]. ИОУ включен либо как неинвертирующий, либо как инвертирующий (см. рис. 36, Зг), и его стабильное выходное напряжение используется для получения прецизионного тока стабилитрона. Это напряжение в дальнейшем используется в качестве опорного (±?/оп).

Если для получения опорного напряжения, например, 15 В использовать стабилитрон BZX55C7V5, который обеспечивает стабильное напряжение

7,5 В при токе 5 мА, то резистор R1 должен иметь номинал (15...7,5 В)/5 мА = = 1,5 кОм, а резисторы R2 и R3 должны быть равны между собой, тогда в точке их соединения напряжение будет также равно 7,5 В; при этом схема автоматически запускается после подачи напряжения питания. Номинал резисторов зависит от максимального выходного тока ИОУ. Например, TL072/082 способен выдать ток около 20 мА, a TL062 - около 15 мА Учитывая, что 5 мА идёт на питание стабилитрона, остаётся запас по 15 и 10 мА соответственно. Однако из справочного листка на ИОУ следует, что минимальное значение тока короткого замыкания этих приборов составляет около 10 мА. Поэтому ток через резисторы R2 и R3 целесообразно выбрать в пределах 1...1,5 мА, что при выходном напряжении 15 В будет соответствовать сопротивлению 15... 10 кОм. Таким образом, сумма сопротивлений резисторов R2 + R3 не должна превышать 10...15 кОм, а сопротивление каждого из них не должно превышать 5...7,5 кОм. Что касается ИОУ ТСА0372, то он способен обеспечить выходной ток до 1 А, поэтому ток питания стабилитрона в 5 мА не является проблемой.

Стабилитрон BZX55C7V5, как и стабилитрон BZX55C8V2, обладает минимальным дифференциальным сопротивлением (<7 Ом) при токе 5 мА. Это дифференциальное сопротивление определяет крутизну ВАХ, или, другими словами, стабилизирующие свойства прибора. Помимо дифференциального сопротивления, на стабильность напряжения стабилитрона влияет его температурный коэффициент напряжения (ТКН). Из таблицы следует, что минимальный ТКН имеет стабилитрон BZX55C6V2, однако его дифференциальное сопротивление выше, чем у стабилитрона BZX55C7V5, который является компромиссом между стабилитронами BZX55C6V2 и BZX55C8V2.

Все схемы, равнозначны по стабильности, однако для подавления паразитной ВЧ-генерации всего стабилизатора целесообразно выбрать те из них, где точка соединения резисторов R2 и R3 подключена именно к неинвертирующему входу ИОУ, т.е. схемы . Дело в том, что для подавления генерации стабилизатора именно к неинвертирующему входу ИОУ необходимо подключить конденсатор, соединённый с входом стабилизатора (т.е. с входным напряжением). Если к этому же входу ИОУ подключен и стабилитрон, то паразитная генерация может повлиять на стабильность опорного напряжения.

Мощный ПРЕЦИЗИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ О...2,5 В

Для тестирования и поверки систем сбора и обработки информации, в составе которых используется высокоточный АЦП, может потребоваться прецизионный источник постоянного напряжения, которое должно регулироваться в пределах от О В до максимального входного напряжения АЦП (чаще всего 2,5 В). Если на входе АЦП установлен восьмиканальный коммутатор, а для измерения показаний датчиков с токовым выходом, например, 4...20 мА к такому коммутатору должны быть подключены восемь токоизмерительных резисторов номиналом 100 Ом, то максимальное напряжение U на каждом канале коммутатора составит U =20 [тА] х ЮО[Ом] = 2 [В]. Если требуется одновременная подача напряжений на все восемь каналов, то от регулятора напряжения потребуется ток 8 х 20 мА=1бО мА при напряжении 2 В. Такой ток не способен обеспечить ни один интегральный источник опорного напряжения.



Для решения подобных задач и предназначен мощный прецизионный регулятор напряжения 0...2,5 В, схема которого приведена на рисунке 4. Стабилизатор построен на основе структурной схемы рис. 1а. В состав регулятора входит N-канальный полевой транзистор FDD6530A (или IRLR6225) Т1, которым управляет ИОУ ОРА735(334) - DA2. Источник опорного напряжения ADR421 (DA1) выдаёт прецизионное напряжение VrefINT = = 2,5 В, которое может регулироваться от 0 то максимального значения переменным резистором R1. В регуляторе предусмотрено подключение внешнего опорного напряжения VrefEXT, подаваемого на разъём ХЗ. Переключение с внешнего (VrefEXT) на внутреннее (VrefINT) опорное напряжение осуществляется переключателем П1. На разъём XI подаётся напряжение питания регулятора (+5 В), а выходное напряжение регулятора (Vext) снимается с разъёма Х2. Выключатель ВК1 подавыходное напряжение Vext на выходной разъём Х2. Для индикации подачи напряжения на выходной разъём Х2 (Vext) служит светодиод VD1. Резистор R2 ограничивает максимальный ток ИОУ, который при включении питания заряжает ёмкость затвор-исток мощного транзистора.

Конденсаторы С1-С4 - керамические, рассчитанные на максимальное напряжение 16 В, имеют типоразмер 1206, С5 — танталовый, рассчитанный на напряжение 7 В; этот конденсатор непосредственно припаян ко 2-му контакту выключателя ВК1. Резисторы R2, R3 - для поверхностного монтажа, размером 0603. Резистор R1 - СП5-35Б. Максимальный выходной ток регулятора 2 А.

Стабильность выходного напряжения практически равна стабильности источника опорного напряжения. Погрешность выставленного напряжения зависит от того, какой транзистор и ИОУ используются. При использовании транзистора IRLR6225, независимо от типа ИОУ (ОРА334 или ОРА735), эта погрешность составляет не более 0,00001 В, т.е. 10 мкВ (!). При использовании транзистора FDD6530A и ИОУ ОРА735 выставленное напряжение не изменяется даже в 5-м знаке после запятой. Этот результат получен при сопротивлении нагрузки в 12,5 Ом, что при максимальном напряжении 2,5 В соответствует току 0,2 А.

Вариант разводки платы регулятора приведён на рисунке 5. Фотошаблон платы напечатан принтером Canon Pixma MG5140 на прозрачной плёнке Avery Zweckform Z2503, а сама плата изготовлена по методике, описанной В [5,6].

Конструктивно регулятор выполнен в корпусе, на поверхность которого выведены все разъёмы, светодиод, регулятор выходного напряжения R1, выключатель ВК1 и переключатель П1. Транзистор приклеен теплопроводящим клеем к радиатору, укреплённому внутри корпуса. Для охлаждения на дне и боковых поверхностях корпуса просверлены несколько отверстий. Коммутация всех сигналов внутри корпуса выполнена навесным монтажом.

Мощный ПРЕЦИЗИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ +5 В

Схема стабилизатора построена на основе структурной схемы. В качестве регулирующего элемента использован мощный Р-канальный полевой транзистор IRF4905 (STP80PF55) - Т1. В качестве источника опорного напряжения (+2,5 В) использована недорогая ИС ADR291 в корпусе ТО-92; ИОУ ОРА735 размещён в корпусе SOT23-5. Резистором R5 устанавливается выходное напряжение стабилизатора +5 В. Резистор R3 ограничивает максимальный ток ИОУ, который при включении питания заряжает ёмкость затвор-исток.

Стабилизатор способен обеспечить ток в нагрузке до 4,6 А; пульсации выходного напряжения не превышают 1 мВ. Конденсатор С5 устраняет самовозбуждение стабилизатора. Конденсаторы С1-С4 дополнительно уменьшают уровень пульсаций выходного напряжения.

Падение напряжения на регулирующем элементе составляет не более 0,1 В при токе 2 А и 0,2 В при токе 4,6 А Падение напряжения при подключении нагрузки составляет около 0,01 В на каждый ампер тока. Все резисторы, кроме R6, имеют мощность 0,125 Вт. Мощность резистора R6 - 0,25 Вт.

Конструктивно стабилизатор выполнен в виде адаптера, снабжённого вилкой для подключения к сетевому напряжению 220 В. В корпусе размещён выпрямитель, сама плата стабилизатора, а также радиатор с транзистором Т1 и диодами VD1-VD4; диоды изолированы от радиатора слюдяными прокладками, а транзистор электрически не изолирован от радиатора. Нагрев транзистора и диодов в зависимости от выходного тока происходит по-разному. При токе стабилизатора до 1 А в наибольшей степени нагревается транзистор, т.к. на нём падает большое напряжение; при увеличении тока до 4,5 А возрастает нагрев диодов. Из-за того что одновременно снижается выходное напряжение трансформатора, падение напряжения на транзисторе также уменьшается, и он перестаёт нагреваться. На поверхности корпуса размещён выключатель питания ВК1 и светодиод VD1. Выходное напряжение +5 В подаётся на выходной разъём кабеля, выведенного из корпуса с помощью резиновой втулки.

Стабилизаторы напряжения ±25 В

Схема стабилизатора положительного напряжения +25 В приведена на рисунке 9- Конденсаторы С4 и С5 препятствуют самовозбуждению стабилизатора, а конденсаторы С1-СЗ дополнительно уменьшают уровень пульсаций выходного напряжения. Резистором R5 устанавливается выходное напряжение стабилизатора +25 В. Резистор R7 ограничивает ток ИОУ, который в момент включения питания заряжает ёмкость затвор-исток.

Схема испытывалась при нагрузках 20 Ом (ток 1,25 А) и 6 Ом (ток 4,17 А). Падение напряжения на мощном транзисторе при токе 4 А составляет не более 0,15 В. Разница выходных напряжений без нагрузки и с нагрузкой составляет примерно 0,01 В на каждый ампер тока. Пульсации выходного напряжения при токе 4 Ане превышают 1...2 мВ. Стабилизатор устойчиво запускается и показывает надёжную работу.

Конденсаторы С1, С2, С4 и С5 - керамические типа К10-17Б, рассчитанные на напряжение 50 В, СЗ - алюминиевый электролитический типа К50-35 на 50 В. Все резисторы, кроме R5, имеют мощность 0,125 Вт. Резистор R5 - подстроечный СПЗ-19А В качестве регулирующего элемента использован мощный полевой транзистор IRF4905, который может быть заменён на STP80PF55. Дня транзистора либо предусматривается отдельный радиатор, либо сам транзистор устанавливают на металлической части корпуса прибора, т.к мощность в нагрузке при токе в 4 А составляет 100 Вт. В качестве ИОУ использована микросхема TCA0372DP1 (DA1). Это достаточно распространённый и недорогой ИОУ общего применения, который можно приобрести по цене около 15 руб.



Плата стабилизатора закреплена в корпусе прибора через отверстия KOI и К02. Помимо ИОУТСА0372, работа схемы проверялась с ИОУ TL062/072/082. Усилители TL072/082 вообще «отказались» работать в такой схеме, a TL062 показал удовлетворительную работу при условии, что питание на ИОУ подавалось с задержкой.

Как видно из рисунка 11, питание на ИОУ поступает через резистор R10, который совместно с конденсатором С5 представляет собой RC-цепочку, задерживающую включение ИОУ до открывания силового транзистора Т1 (IRF4905 или STP80PF55). Дело в том, что в момент включения питания, пока выходное напряжение ИОУ равно нулю, транзистор Т1 открывается и его выходное напряжение попадает на вход ИОУ, на выходе которого формируется нужный потенциал. Если же ИОУ получает питание раньше и на его вход попадёт нулевое напряжение стока ещё не открывшегося транзистора, то на затвор последнего будет подано высокое напряжение, которое ещё больше закроет транзистор, и стабилизатор не запустится.

В описанной выше схеме стабилизатора +5 В подобного эффекта не возникает, и она устойчиво запускается при включении питания, как и схема рис. 9, вероятно, из-за того что максимальные выходные напряжения ИОУ ТСА0372 ближе к напряжениям питания, чем у ИОУ TL062.

Альтернативный вариант задержки подачи питания на ИОУ TL062 с использованием оптрона показан на рисунке 12. Он имеет некоторое преимущество перед цепочкой R10C5, т.к. сопротивление открытого транзистора оптопары на порядок меньше сопротивления R10. По выходным параметрам схема рис. 11 практически не отличается от схемы рис. 9, за исключением повышенного уровня пульсаций (2...3 мВ).

Работа ИОУ ТСА0372 иТЬ0б2/072/082 проверялась и в стабилизаторах отрицательной полярности -25 В с мощными полевыми транзисторами IRF3205, STP80NF55 И IRF1010N. Как ни странно, ИОУ TL062 показал высокий уровень пульсаций (до 10 мВ и более); несколько повышенный уровень пульсаций (3-..4 мВ) показал ИОУ ТСА0372; ИОУ TL072/082 продемонстрировали идеальную работу.

Схема стабилизатора напряжения отрицательной полярности -25 В на ИОУ TL072 показана на рисунке 14. Функционально она соответствует структурной схеме, показанной на рисунке 1г, а по способу формирования опорного напряжения - схеме рис. Зг. Конденсаторы С4 и С5 препятствуют самовозбуждению стабилизатора, а конденсаторы С1-СЗ дополнительно уменьшают уровень пульсаций выходного напряжения. Резистором R5 устанавливается выходное напряжение стабилизатора -25 В.

Питание на ИОУ подаётся непосредственно с входа стабилизатора, при этом стабилизатор запускается надёжно, и никаких RC-цепочек для задержки питания ИОУ не требуется. В схеме использован мощный N-канальный полевой транзистор IRF3205 (Т1), но могут быть использованы приборы STP80NF5 5 и IRF1010N. Резистор R7 ограничивает ток ИОУ, который в момент включения питания заряжает ёмкость затвор-исток мощного транзистора.

Электрические параметры стабилизатора аналогичны параметрам стабилизатора положительной полярности на ИОУТСА0372 за исключением падения напряжения и уровня пульсаций (не более 1 мВ против 1...2 мВ). Конденсаторы С1, С2, С4 и С5 - керамические К10-17В, рассчитанные на напряжение 50 В, СЗ (К50-35) - на 50 В.

Все резисторы, кроме R5, имеют мощность 0,12 5 Вт, R5 - подстроечный СПЗ-19А. Для силового транзистора либо предусматривается отдельный радиатор, либо сам транзистор укрепляется на металлической части корпуса прибора. В качестве ИОУ использована микросхема TL072 или TL082 (DA1). ИОУ ТСА0372 показал удовлетворительную работу в данной схеме, однако уровень пульсаций составил 3...4 мВ (1 мВ с ИОУ TL072). Схема стабилизатора отрицательной полярности на ИОУ ТСА0372 отличается только цоколёвкой корпуса ИОУ и поэтому не приводится. Варианты разводки платы стабилизатора показаны на рисунках 15 и 16.

Стабилизатор отрицательной полярности имеет некоторое преимущество перед стабилизатором положительной полярности. Во-первых, применённые в нём ИОУ TL072 и TL082 дешевле, чем ТСА0372 (например, TL072/TL082 в планарном корпусе можно приобрести за 3...4 руб.); во-вторых, мощные N-канальные полевые транзисторы также дешевле, чем Р-канальные; в третьих, падение напряжения и уровень пульсаций в стабилизаторах отрицательной полярности ниже из-за меньшего сопротивления открытого N-канального полевого транзистора, которое достигает тысячных долей ома. Поэтому если требуется только один стабилизатор положительной полярности, то из стабилизатора отрицательной полярности можно легко получить стабилизатор положительной полярности по схеме.

Если же требуется двухполярный стабилизатор ±25 В [1], то обе платы можно объединить в одну. Здесь использован стабилизатор положительной полярности по схеме рис. 11, а отрицательной - по схеме.

Следует отметить, что при налаживании двухполярного стабилизатора ±25 В желательно между затвором и истоком полевых транзисторов установить защитный стабилитрон на напряжение 11... 12 В, поскольку в применённых в этих стабилизаторах полевых транзисторах максимальное напряжение между затвором и истоком составляет ±20 В, что ниже их входных (и выходных) напряжений (±30...25 В). В дальнейшем этот стабилитрон можно удалить.

Заключение

Использование современных мощных полевых транзисторов и ИОУ в прецизионных стабилизаторах и регуляторах постоянного напряжения, а также в стабилизаторах напряжения общего применения даёт преимущество перед интегральными стабилизаторами в низком падении напряжения, малом уровне пульсаций и себестоимости компонентов. Например, интегральный стабилизатор на ток около 10 А сейчас продаётся за 1000 руб., а ИОУ вместе с мощным полевым транзистором, способным работать с токами до 100 А (и более), обойдётся в 40...50 руб. Альтернативой мощному прецизионному регулятору напряжения 0...2,5 В с точностью установки напряжения до 10 мкВ являются прецизионные калибраторы напряжения стоимостью от 1000 долл. США.