Введение
Алексей Кузьминов, Москва
Усовершенствованный двуполярный стабилизатор на ОУ и мощных полевых транзисторах с токовой защитой и ультранизким уровнем пульсаций
Стабилизатор на ОУ: в статье автора (см. Рисунок 1 в ) приведены функциональные схемы стабилизаторов, основанные на ОУ и мощных р- и п-канальных полевых транзисторах, включенных по классической схеме (входное напряжение подается на сток, выходное снимается с истока) и по схеме с «перевернутым транзистором» (входное напряжение подается на исток, выходное снимается со стока), то есть, всего четыре варианта.
В этой же статье показано, что если в стабилизаторе положительной полярности использовать п-канальный полевой транзистор, включенный по классической схеме (Рисунок 1а), а в стабилизаторе на ОУ отрицательной полярности — также п-канальный транзистор, но «перевернутый» (Рисунок 1г), то такая схема обладает преимуществом, поскольку в ней используются только n-канальные транзисторы, которые при прочих равных условиях, во-первых, дешевле р-канальных и, во-вторых, имеют лучшие характеристики (например, большую крутизну и меньшее сопротивление сток-исток в открытом состоянии).
Таблица
Однако, как показал эксперимент автора статьи «стабилизатор на ОУ«, на уровень пульсаций выходных напряжений стабилизаторов оказывают влияние отнюдь не выдающиеся характеристики транзисторов, а способ их включения. В частности, если в двуполярном стабилизаторе на ОУ оба транзистора (р- и n-канальный) включены по классической схеме (Рисунки 1а и 1в), то пульсации выходных напряжений могут быть существенно снижены.
Объяснением этому, по-видимому, служит относительно большая функциональная симметрия двух стабилизаторов (положительного и отрицательного напряжений), а также идентичный принцип их работы. Что касается стоимости р-канальных транзисторов, то, хотя она и выше стоимости n-канальных, но не настолько существенно, чтобы не использовать р-канальные транзисторы вообще. А вот для достижения большей функциональной симметрии стабилизаторов желательно в них использовать р- и п-канальные транзисторы с близкими параметрами.
В основном к таких параметрам относится крутизна передаточной характеристики (gfs). показывающая, на сколько ампер изменится ток стока при изменении напряжения затвор-исток на 1 вольт, и измеряющаяся в этих же единицах (А/В или сименсах — См), а также сопротивление сток (D) — исток (S) транзистора в открытом (on) состоянии (RDS(on))>
измеряющееся в омах (а, точнее, в мОм). Остальные характеристики транзисторов существенного влияния на уровень пульсаций выходных напряжений стабилизаторов не имеют.
В Таблице 1 приведены характеристики некоторых наиболее распространенных мощных р- и n-канальных полевых транзисторов (gfs и (RDS(on)), причем, транзисторы в ней расположены таким образом, чтобы каждому р-канальному транзистору соответствовал п-канальный транзистор с идентичными (или близкими) параметрами. Например, если использовать транзистор SUP90P06 (gfs = 40 А/В, RDS(on) = 8 мОм), то ему должен соответствовать транзистор IRF3205 (gfs = 44 А/В, RDS<on) = 8 мОм) и т.п. Кроме того, в Таблице 1 транзисторы расположены в порядке уменьшения крутизны gfs.
Таким образом, резюмируя вышесказанное, дальнейшее изложение будет построено следующим образом. Вначале будут приведены принципиальные схемы, как самого двуполярного стабилизатор на ОУ, так и некоторых вспомогательных устройств, предназначенных для его работы, затем будут приведены разводка плат и фотографии реального устройства. Далее будет рассказано об испытании устройства и полученных результатах.
Принципиальные схемы стабилизаторов
Как видно из Рисунка 1а, схема стабилизатора +14 В практически повторяет схему аналогичного стабилизатора, подробно описанного в [1] (см. Рисунок 3), в связи с чем, на взгляд автора, в пояснениях не нуждается. Разница заключается только в использовании иного транзистора VT1 (IRF3205 вместо IRF3205Z с существенно большей крутизной) и иных номиналах резисторов делителя R9, R10, R11 (соответствующих R3, R4, R5), позволяющих более точно выставить выходное напряжение стабилизатора.
А вот схема стабилизатора -14 В (Рисунок 1б) существенно изменена, поскольку в ней использован уже р-канальный транзистор (VT1). Однако если внимательно присмотреться к схеме Рисунок 1б, то можно обнаружить, что она практически идентична схеме Рисунок 1а. Разница заключается в использовании р-канального транзистора VT1 (вместо п-канального в схеме Рисунок 1а), в противоположной полярности включения электролитических конденсаторов (С2, С5, С8), диодов (VD2, VD3), стабилитронов (VD4), источников стабильного тока (DA2) и инфракрасных светодиодов оптосимисторов DA3.
Благодаря функциональной идентичности двух схем (Рисунки 1а и 1б) и получается их относительная функциональная симметрия, о которой говорилось выше и которая приводит к существенному снижению уровня пульсаций выходных напряжений стабилизаторов (см. далее). В схемах Рисунок 1 жирным обозначены силовые проводники (сечением не менее 1.5 мм2).
В схеме Рисунок 1 показаны номера выводов для микросхемы ОУ MC34072AMTTBG в сверхминиатюрном корпусе WQFN10 размером 2.6×2.6 мм. Вместо нее можно использовать микросхему ОУ МС33072Р с теми же характеристиками, но в корпусе DIP8. Номера выводов для МС33072Р, естественно, иные, однако, чтобы не усложнять схему, на Рисунке 1 они не указаны (их можно найти в справочном листке или на разводке — см. далее).
Альтернативная замена
К вспомогательным схемам относятся: схема альтернативной замены источника стабильного тока на микросхеме DA2 (LM334Z) на диодный стабилизатор тока VD5 (J511) — Рисунок 2, схема индикации наличия выходных напряжений стабилизаторов и перегрузки (Рисунок 3), подробно описанная в [1], схема подключения стабилизаторов к выпрямителям и выходному разъему (Рисунок 4), схема альтернативной замены диодов выпрямителей (Рисунок 5а) и, наконец, схема принудительного разряда электролитических конденсаторов с помощью кнопок (Рисунок 5б) при повторном включении питания, если возникнет перегрузка (об этом режиме также подробно рассказано в [1]). В связи с простотой вспомогательных схем, на взгляд автора, в подробном описании их функционирования нет необходимости.
Разводка платы и внешний вид устройства
Из разводки платы (Рисунок 6), сделанной автором с помощью программы Sprint Layout 6.0, и ее фотографий (Рисунок 7), можно составить представление о ее размерах и внешнем виде. Поскольку разводка платы с микросхемой MC34072AMTTBG приведена на Рисунке 6 в чисто иллюстративных целях (по ней изготовить плату невозможно), разводка платы с микросхемой МС33072Р не приводится. Для изготовления же плат в разделе «Загрузки» дана ссылка на файл разводки в формате *.lay6 для обеих плат (на базе MC34072AMTTBG и МС33072Р). Фотография платы с микросхемой МС33072Р для экономии места в статье также не приводится (плата имеет примерно такой же вид, как и плата, показанная на Рисунке 7).
Здесь следует отметить один нюанс, касающийся как самой разводки, так и изготовления плат, и, возможно, повлиявший на существенно сниженный уровень пульсаций выходных напряжений стабилизаторов. Хотя разводка, показанная на Рисунке 6, и односторонняя, т.е. вторая сторона платы не используется, эту вторую сторону можно использовать как дополнительный «земляной» контур.
В этом случае плата будет уже двусторонней, причем, поскольку компоненты навесного монтажа расположены на слое платы, противоположном слою дорожек, и припаяны к контактным площадкам через сквозные отверстия, на слое, где расположен «земляной» контур, для выводов компонентов навесного монтажа, не контактирующих с «землей», должны быть предусмотрены своего рода «прогалины».
Как развести и изготовить подобную плату своими силами, подробно описано в статье автора [2]. В приведенном в дополнительных материалах к статье файле разводки используются обе стороны, однако, если изготовление двусторонней платы по каким-то причинам затруднено, платы могут быть изготовлены полностью односторонними. В этом случае, возможно, уровень пульсаций выходных напряжений будет чуть и увеличен, однако, по опыту автора, — не более чем в 1.5-2 раза.
Результаты испытаний стабилизаторов
Испытания стабилизаторов проводились по той же методике, что и в [1], которая там подробно описана, поэтому здесь не приводится. На Рисунке 8 показаны осциллограммы пульсаций входных и выходных напряжений стабилизаторов. Если сравнить эти осциллограммы с осциллограммами, приведенными на Рисунке 12 в [1], то можно заметить, что уровень пульсаций выходных напряжений снизился в 2 раза (для +14 В -160 мкВ против 320 мкВ в [1], и для -14 В -240 мкВ против 480мкВ). Здесь, как говорят, комментарии излишни.
Подсчитаем, во сколько раз размах пульсаций выходных напряжений меньше размаха пульсаций входных. Для Рисунка 8а имеем: 980 мВ/0.16 мВ = 6125 или 75.74 дБ = * 76 дБ. Для Рисунка 86: 1000 мВ/0.24 мВ = = 4167 или 72.39 дБ * 72 дБ.
Изменения выходных напряжений стабилизаторов в зависимости от изменения тока нагрузки в диапазоне от 0 (без нагрузки) до 9.5 А не отличаются от тех, что приведены в [1], и составляют не более ±10 мВ.
Что касается применений описанного дву-полярного стабилизатора, то их может быть несколько, однако автор использовал его для питания мощного двухканального УМЗЧ [3]. Вероятно, у читателя могут возникнуть сомнения в использовании ИП с такими относительно низкими значениями выходных напряжений (±14 В), поскольку, как правило, для питания достаточно мощных (40 — 50 Вт ) УМЗЧ используются напряжения существенно выше (±25 В — ±35 В). Приведенные ниже некоторые соображения, на взгляд автора, эти сомнения могут рассеять.
При двуполярном питании напряжениями ±14 В УМЗЧ, сконструированный на базе хорошо известной микросхемы мощного ОУ LM3886 (или его сдвоенного аналога LM4780), работающего в мостовом режиме, этот ОУ способен без искажений воспроизвести сигнал амплитудой на 2.5 В меньше напряжений питания (2.5 В — так называемое напряжение ограничения или Clipping Voltage), т.е. его амплитуда не может превышать 14 В-2.5 В = 11.5 В.
Но уже при амплитуде 9 В (т.е. на 2.5 В меньше 11.5 В, или с запасом в 2.5 В) на нагрузке 4 Ом при использовании этого ОУ в мостовом режиме (см., например, [3]) амплитуда синусоидального сигнала будет удвоена и составит 18 В, выходной ток — 4.5 А, а действующее значение его мощности (как нетрудно подсчитать) будет равно 40.5 Вт. Если использовать два канала, то ток достигнет 9 А, однако не будет превышать максимальный ток 9.5 А, на который рассчитан описываемый стабилизатор на ОУ.
Для справки: предельная синусоидальная мощность акустических систем 35 АС-016 с номинальным электрическим сопротивлением 4 Ом (по паспорту) составляет 35 Вт. Так что мощности 40.5 Вт вполне хватит (и даже еще останется). К тому же реальная мощность звукового сигнала, а точнее, — музыкального (с теми же максимальными мгновенными значениями амплитуд, что и у синусоидального сигнала) существенно меньше синусоидальной мощности, а при воспроизведении музыкального сигнала в 3/4 громкости (мощности) акустической системой 35 АС-016 уже начинают дрожать стекла…
Заключение
Применение в описанном двуполярном ИП полевых транзисторов двух типов проводимости, включенных по классическим схемам стабилизаторов, снижает уровни пульсаций выходных напряжений до 1/4 мВ и ниже на максимальных токах до 9.5 А. При использовании в выпрямителе сглаживающих конденсаторов емкостью всего 44,000 мкФ отношение размаха пульсаций входных напряжений стабилизаторов (около 1 В) к размаху пульсаций выходных составляет не менее 4000 или не менее 72 дБ.
Литература
1. Кузьминов А. Двуполярный стабилизатор на ОУ и мошных полевых транзисторах с токовой защитой.
2. Кузьминов А. Как использовать фольгу обратной стороны односторонней печатной платы в качестве общего провода.-Радио, 2019, №2.
3. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя для мостового включения двух мощных ОУ Часть 3. — Современная электроника, 2017, №6.
Загрузки: Файл разводки в формате *.1ау6