Двуполярный регулируемый стабилизатор

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Стабилизаторы постоянного тока

Опубликовано: 23.03.2017 15:16

Просмотров: 7282

В. Рентюк, г. Запорожье
В инженерной и радиолюбительской практике есть необходимость иметь удобный регулируемый двуполярный стабилизатор напряжения с подходящим диапазоном подстройки обоих напряжений, то есть как положительной, так и отрицательной полярности. Кроме того, необходимо сохранять заданное отношение между этими двумя напряжениями в полном диапазоне регулирования и иметь автоматическое отключение второго напряжения, если первое напряжение было уменьшено, например, из-за перегрузки или короткого замыкания. Естественно, что регулировка выходного напряжения обоих стабилизаторов должна осуществляться одним переменным резистором. На практике у автора возникла необходимость найти приемлемое решение для такой проблемы при проектировании устройства, в котором ИМС цифрового управления были, как говориться, «в подвале».

То есть питались от отрицательного источника напряжения, а исполнительная аналоговая часть питалась двуполярным напряжением, часть схемы питалась только лишь от источника с напряжением положительной полярности. При этом изменение отношений питающих напряжений приводило к нарушению работы устройства, а отключение или уменьшение ниже критического уровня одного из напряжений при сохранении второго приводило уже не только к нарушению функционирования, а отказу или выходу элементов из строя.

В качестве базовых элементов схемы использовались компенсационные стабилизаторы на дискретных элементах с усилителями ошибки
на операционных усилителях. Впоследствии первоначальное техническое решение было доработано, улучшено, упрощено и неоднократно использовалось. Электрическая принципиальная схема упрощенного варианта двуполярного стабилизатора, отвечающего изложенным критериям, показана на рис.1.
 
 Стабилизатор состоит из двух интегральных стабилизаторов напряжения: LM317T (стабилизатор положительного напряжения) и LM337 (стабилизатор отрицательного напряжения) [1, 2]. Их выходные напряжения без действия дополнительных цепей могут быть рассчитаны по следующим формулам:
+Voutmax = 1,25(1+(R3+R4)/R1 )+IADJ(R3+R4);
 +Voutmin=1'25(1+R3/R1)+lADJR3;
-Voutmax=1'25(1+R5/R7)+lADJR5.
Где:
+Voutmax - максимальное выходное напряжение положительно полярности;
+Voutmin - минимальное выходное напряжение положительно полярности;
-Voutmax - максимальное выходное напряжение отрицательное;
IADJ - ток вхoда регулировки напряжения соответствующей ИС [1, 2].
Для упрощения расчетов значением IADJ, из-за его малости, можно пренебречь, прировняв его к нулю.
Резистивный делитель R2, R6 и часть резистора R8 устанавливает необходимое отношение выходных напряжений. В рассматриваемом случае этот коэффициент равен 2:
+Vout/-VoutR2/(R6+part_of_R8)=2.
Транзисторы Q1, Q2 использованы в качестве элементов управления. Соответствующий транзистор Q1 или Q2 частично откроется или будет закрыт, и, таким образом, выходное напряжение уменьшится или увеличится до необходимой величины. В любом случае выходные напряжения не будут больше заданных максимальных значений. Естественно, транзистор Q1 (Q2) будет открываться в случае перегрузки или короткого замыкания по отрицательному (положительному) выходу этой схемы. При этом выходное напряжение второго выхода будет уменьшено до его минимума, равного 1,25V (1, 2). Выходные напряжения будут восстановлены до их предшествующей замыканию (перегрузке) величине после устранения причины перегрузки или короткого замыкания. Использование подстроечного (переменного) резистора R8 при необходимости может обеспечить установку отношения выходных напряжений.
В противном случае номинал сопротивления R6 должен быть увеличен до 5,1 кОм, потому что в рассматриваемой схеме коэффициент отношения выходных напряжений равен 2 (+Vout/-Vout=10V/5V). Сопротивление R4 устанавливает необходимый уровень выходного напряжения (в данном случае это 10 В). Использование монолитных интегральных схем типа LM317Т и LM337 позволяет спроектировать недорогой блок питания с выходным током до 1,5 А и использовать их возможности. Прежде всего, внутреннее ограничение тока и выключение при перегреве. Увеличить или уменьшить максимальный выходной ток можно выбором соответствующих ИМС.
Если необходима прецизионная работа устройства, то его можно дополнить усилителем сигнала ошибки. Для этой цели используется, например, схема на основе операционного усилителя с соответствующими напряжениями питания. Этот вариант показан на рис.2.
 
Предложенные технические решения полезны и для двуполярных стабилизаторов с одинаковыми по модулю выходными напряжениями, особенно в случае их использования для питания
усилителей с низкоомной нагрузкой, для которых «исчезновение» одного из напряжений приводит к катастрофическим последствиям. Особый интерес имеет данное решение в случае использования стабилизаторов напряжения с различной нагрузочной способностью. В этом случае в коротком замыкании или перегрузке стабилизатора напряжения меньшей мощности, мощный стабилизатор будет выключен автоматически и наоборот.
В схеме могут использоваться транзисторы любых типов соответствующей проводимости с коэффициентом усиления по току не ниже 100. В качестве операционных усилителей необходимо использовать ИМС, допускающие работу с заданным уровнем питающего напряжения. Конденсатор С1 на рис.2 улучшает работу стабилизатора, повышая его устойчивость и уменьшая уровень шумов на выходе стабилизатора, а резистор R9 защищает транзисторы Q1, Q2 от пробоя излишним напряжением с выхода операционного усилителя при коротком замыкании любой из цепей нагрузки (плеч стабилизатора). Номинал резистора R9 может быть уменьшен до 4,3 кОм. Естественно, что данные стабилизаторы могут быть дополнены элементами индикации.
РА №З' 2011
Литература
1.  LM317 3-Terminal Positive Adjustable Regulator,  Fairchild Semiconductor Corp, June 2005, www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM317.pdf.
2.  LM337 3-Terminal 1.5A Negative Adjustable Regulator, Fairchild Semiconductor Corp, 2001, www. fairchildsemi.com/ds/LM/LM337.pdf.