Стабилизатор с малым падением напряжения для питания устройств от батарей

Напряжение стабилизации составляет 5 вольт или 3,3 вольта в зависимости от номиналов резисторов. Может использоваться для питания различных устройств от батарей или аккумуляторов, а также в системах бесперебойного питания от электросети, если на вход подключить соответствующее зарядное устройство для аккумуляторов. Коэффициент стабилизации порядка 150,выходное сопротивление 0,1 Ом. Ток нагрузки зависит от допустимой рассеиваемой мощности силового транзистора.

Принципиальная схема стабилизатора показана на Рис.1. Номиналы резисторов в скобках указаны для стабилизатора 3,3 вольта. Источником входного напряжения для стабилизатора 5 вольт служат 4 батареи АА (ААА) напряжением 6,4 вольта или 4 аккумулятора АА(ААА) напряжением 5,6 вольта, а для стабилизатора 3,3 вольта 3 батареи нпряжением 4,8 вольта или 3 аккумулятора напряжением 4,2 вольта.

Рис1.

Силовой полевой n-канальный транзистор VT2(IRLML6344) включен после нагрузки и не требует для управления дополнительного источника питания. Это транзистор c логическим уровнем напряжения на затворе открывается уже при напряжении 2,5 вольта (Rси=37мОм) в корпусе SOT23, ток нагрузки до 4 ампер, рассеиваемая мощность до 1,3 Вт, напряжение сток исток 30 вольт. Могут использоваться любые транзисторы с логическим уровнем управления и низким сопротивлением сток исток, например IRLMR2905, AUIRL3114.

Делитель напряжения на резисторах R5, R6, R7 и светодиод оптопары U1.2 образуют датчик выходного напряжения и являются одновременно нагрузкой стабилизатора при неподключенной
рабочей нагрузке. Напряжение на светодиоде оптопары определяется напряжением на резисторах R6 и R7 так как ток через светодиод (30-50 мкА) много меньше тока через эти сопротивления(около 2мА) и составляет около 0,9 вольта. Это нелинейный участок вольтамперной характеристики светодиода, на котором небольшое изменение напряжения приводит к значительному изменению тока. Это изменение приводит к изменению фототока транзистора оптопары U1.1, который усиливается транзистором VT1, коллекторный ток которого создаёт падение напряжения на резисторе R4, изменяет напряжение на затворе транзистора VT2.

Изменение тока через VT2 изменяет напряжение на резисторах R6 и R7 так чтобы уменьшить изменение напряжения на светодиоде. Происходит стабилизация напряжения на светодиоде а также выходного напряжения. Выходное напряжение определяется выражением: Uвых(В)=0,9(1+R5/(R6+R7). При этом ток через делитель (Iдел=Uвых/(R5+R6+R7))должен быть порядка 2-3 мА. Напряжение на затворе полевого транзистора Uзи=Uоп –Iк(Uвых)*R4 зависит от опорного  напряжения и тока коллектора VT1, зависящего от выходного напряжения. Поэтому опорное напряжение, подаваемое на резистор R4, должно быть хорошо стабилизировано. Для этого используется источник опорного напряжения на микросхеме TL431. Сопротивление R4 определяет ток через светодиод оптопары и напряжение на нём. Выбирается так, чтобы напряжение на светодиоде было в пределах 0,88-0,92 вольта(примерно от 3 до 10 кОм).

При входном напряжении от 5,05 до 6,4 вольта и токе нагрузки 0,2 ампера выходное напряжение меняется от 5 до 5,01 вольта. Без нагрузки 5,02 вольта. Для стабилизатора 3,3 вольта при изменении от 3,35 до 4,8 вольта и токе 0,2 ампера выходное напряжение меняется от 3,3 до 3,31 вольта. Без нагрузки 3,32 вольта. Максимальная рассеиваемая мощность на VT2 составляет 300 мВт. Если такой коэффициент стабилизации не нужен, микросхему TL431 можно исключить. При этом изменение выходного напряжения возрастёт до 0,07 вольта (Кст около 20). При указанных на схеме номиналах стабилизатор в настройке не нуждается. Нужно только резистором R6 подстроить выходное напряжение. Быстродействие определяется резистором R4 и входной ёмкостью Cси транзистора VT2 (Cси=600 пФ ). Постоянная времени
при R4=10 кОм равна 6 мкс а время отклика 2,3*6=13,8 мкс, то есть эффективно будут подавляться частоты до 70 кГц.

Схема может быть реализована как на обычных, так и SMD компонентах. Поскольку силовой транзистор VT2 в корпусе SOT23, я решил использовать чип резисторы 0805, TL431 в корпусе SOT89, VT1 тоже в SOT23, оптопара BC817 в DIP-4 установлена поверхностным монтажом, так же как и резистор R6 . Фотография платы и печатная плата с установленными деталями стабилизатора показаны на Рис.2.


Рис.2

Плата стабилизатора разведена в программе Sprint-Layout 6, там же нарисована принципиальная схема. Дорожки и контактные площадки платы нарисованы линиями толщиной 0,8 мм не в слое металлизации а в слое П(слой контура платы), в котором можно рисовать только линии и окружности. Этого достаточно чтобы нарисовать плату. Далее создаётся файл фрезеровки, в котором фреза идёт по центрам дорожек, а не вокруг них, потом рисунок платы не фрезеруется, а рисуется на фольгированном стеклотекстолите маркером Edding 780 (ширина линии 0,8мм) на плоттере с ЧПУ. Затем плата травится в хлорном железе, дорожки лудятся и впаиваются компоненты. Готовая плата не содержит никаких отверстий, а в устройство просто приклеивается универсальным клеем.

На Рис.3 фотографии стабилизаторов 5 и 3,3 вольта, собранных на отсеках для четырёх и трёх батарей АА.

Рис.3

Литература:
1.Стабилизатор с малым минимальным падением напряжения. www.radioradar.net/radiofan/power_supply/stabilized_small_minimum_voltage_drop.html
2. Стабилизатор с очень низким падением напряжения. www.cqham.ru/uldstab.htm

Автор: В. Г. Нечаев, г. Москва.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Стабилизатор
• Sprint-Layout