Импульсный стабилизатор напряжения 5В 2А

Этот стабилизатор отличается от подобных ему схемной простотой и высокими значениями коэффициентов стабилизации и полезного действия. В нем применена широко распространенная микросхема K155J1A3 (или ее аналог). Этот стабилизатор применялся для питания цифрового прибора, а при изготовлении различных цифровых устройств всегда найдется пара лишних инверторов. Стабилизатор (рис. 5.13), состоит из следующих функциональных узлов: узла запуска (R3, VD1, VT1, VD3), источника образцового напряжения и устройства сравнения (DD1.1, R1), усилителя постоянного тока (VT2, DDI.2, VT5), транзисторного ключа (VT3, VT4), индуктивного накопителя энергии с коммутирующим диодом (VD2, L2) и фильтров — входного (LI, CI, С2) и выходного (С4, С5, L3, С6).

После включения питания вступает в работу узел запуска, представляющий собой параметрический стабилизатор напряжения с эмиттерным повторителем. На эмиттере транзистора VT1 появляется напряжение около 4 В. Так как напряжение на выходе стабилизатора пока отсутствует, диод VD3 закрыт. В результате включаются источник образцового напряжения и усилитель постоянного тока.

Транзисторный ключ пока закрыт. Так как напряжение питания элемента DD1.1 меньше 5 В, то на его выходе устанавливается высокий логический уровень, на выходе усилителя постоянного тока формируется крутой фронт коммутирующего импульса. Этот фронт быстро (в течение примерно 30 не) открывает электронный ключ, который начинает пропускать ток в индуктивный накопитель энергии. Ток через ключ и напряжение на конденсаторе С 4 будут увеличиваться плавно. Как только это напряжение превысит напряжение на стабилитроне VD1, диод VD3 откроется, а транзистор VT1 закроется. Произойдет отключение узла запуска, и в дальнейшей работе он не будет принимать участия.

С этого момента в стабилизаторе включается цепь отрицательной обратной связи, и он переходит в рабочее состояние. Напряжение на конденсаторе С4 продолжает увеличиваться до момента, когда на выходе элемента DD1.1 уровень 1 сменится на 0. Усилитель постоянного тока формирует спад коммутирующего импульса, который за время около 200 не закрывает электронный ключ. До этого момента в дросселе L2 накапливалась электромагнитная энергия. Часть энергии, прошедшей через электронный ключ, поступает в нагрузку. Далее напряжение самоиндукции дросселя L2 открывает диод VD2, и энергия, накопленная в этом дросселе, начинает перетекать в нагрузку. Для того, чтобы уменьшить амплитуду опасного для микросхемы DDI броска напряжения, емкость конденсатора С4 выбрана весьма большой, тогда как обычно она не превышает нескольких десятков или сотен микрофарад. После исчерпания запаса энергии в дросселе L2 ток в нагрузку будет поступать из конденсатора С4. Спустя некоторое время напряжение на нем уменьшится до значения, когда на выходе усилителя постоянного тока будет сформирован фронт очередного коммутирующего импульса и вновь откроется электронный ключ — начнется новый цикл работы стабилизатора.

Основные технические характеристики:

Номинальное выходное напряжение, В...................................5;

Входное напряжение, В.........................................................8...60;

КПД .....................................................................................0,69...0,72;

Коэффициент стабилизации, не менее................................... 500;

Амплитуда пульсаций выходного напряжения, мВ,....................5;

Выходное сопротивление, Ом, не более.................................0,02;

Максимальный ток нагрузки, А..............................................2;

Все катушки индуктивности одинаковы и намотаны в броневых магнитопроводах Б20 из феррита 2000НМ с зазором между чашками около 0,2 мм. Обмотки содержат по 20 витков жгута из четырех проводов ПЭВ-2-0,41. Можно применить и кольцевые ферритовые магнитопроводы, но обязательно с зазором. Если аккуратный зазор получить не удалось и кольцо раскололось на несколько частей, то необходимый зазор (около 0,2 мм) можно создать и в этом случае. Для этого на склеиваемые поверхности наносят несколько слоев клея, например, «Суперцемент», до полного высыхания, а затем осколки склеивают в кольцо. Число витков и провод некритичны и в этом случае.

В стабилизаторе использованы конденсаторы К52-2 или другие, но обязательно танталовые или ниобиевые (при замене на К50-6 снижается КПД); К50-6 (С4 и С6), остальные — КМ-5 или КМ-6. Конденсатор С2 составлен из трех параллельно включенных емкостью по 1 мкФ. Диод VD3 может быть заменен любым импульсным маломощным диодом. Вместо транзистора КТ3102Г подойдут КТ3102Е, КТ342В, КТ373В; вместо КТ608Б (VT1) -КТ503Д, КТ503Е, а на выходе усилителя постоянного тока — КТ608Б, КТ602Б, КТ630А...КТ630Г.

В ключевом элементе можно использовать транзисторы КТ908Б, 2Т908А, 2Т912Б, КТ912Б, а с незначительным ухудшением КПД — КТ808А. Нельзя применять транзисторы серии КТ909, так как это приведет к возбуждению ключа на высокой частоте и выходу из строя всего устройства. Были испытаны также, но показали худшие результаты транзисторы серий КТ802, КТ803, КТ805, КТ819, КТ827, КТ829 и КТ818, КТ825 (в двух последних случаях схема ключа была, соответственно, изменена).

Все используемые детали должны быть тщательно проверены. Перед монтажом на плату подстроечного резистора R1 его сопротивление устанавливают равным 3,3 кОм. Включают стабилизатор сначала при напряжении питания 8 В и сопротивлении нагрузки 10 Ом, после чего контролируют выходное напряжение и, если необходимо, устанавливают его резистором R1 на уровень 5 В.

Окончательно напряжение устанавливают после прогрева стабилизатора в течение 10... 16 мин. Если диод VD2 и транзистор VT4 установить на теплоотводы, стабилизатор может обеспечить на грузочный ток до 4 А, но в этом случае в ключе диод VD2 лучше составить из нескольких параллельно включенных диодов 2Д213А.

Необходимо заметить, что на некоторых режимах работы стабилизатора переходные процессы на коллекторе транзистора VT4 и на базе транзистора VT3 могут существенно отличаться. Напряжение на эмиттере транзистора VT4 может содержать паразитные колебания, обусловленные волновыми процессами в сложном выходном фильтре, не ухудшающие, однако, общего КПД. Печатная плата стабилизатора приведена на рис. 5.14.