Линейный стабилизатор напряжения с регулировкой на TL431 и NPN транзисторах
При входном напряжении 19В, схема способна служить источником стабилизированного напряжения в пределах от 2,7 до 16 В при токе до 4А. Стабилизатор оформлен в виде модуля, собранного на макетной плате. Выглядит следующим образом:
Стабилизатор требует блок питания постоянного тока. Имеет смысл применять такой стабилизатор с классическим линейным блоком питания, состоящим из железного трансформатора, диодного моста и конденсатора большой емкости. Напряжение в сети может меняться в зависимости от нагрузки и как следствие, будет меняться напряжение на выходе трансформатора. Данная схема будет обеспечивать стабильное выходное напряжение при изменяющимся входном. Нужно понимать, что стабилизатор понижающего типа, а также на самой схеме падает 1-3 В напряжения, поэтому максимальное выходное напряжение будет всегда меньше входного.
В качестве блока питания для данного стабилизатора в принципе можно использовать и импульсные блоки питания, например от ноутбука на 19 В. Но в этом случае, роль именно стабилизации будет минимальной, т.к. заводские импульсные блоки питания и так на выходе выдают стабилизированное напряжение.
Подбор компонентов
Максимальный ток, который может через себя пропустить микросхема TL431, согласно документации – 100 мА. В моем случае, я ограничил ток с запасом до примерно 80 мА при помощи резистора R1. Нужно рассчитать резистор по формулам.
Для начала нужно определить сопротивление резистора. При максимальном входном напряжении 19В по закону Ома сопротивление рассчитывается следующим образом:
R= U/I = 19В / 0,08A = 240 Ом
Нужно рассчитать мощность резистора R1:
P=I^2*R = 0,08 А * 0,08 А * 240 Ом = 1,5 Ватта
Я использовал советский резистор на 2 Ватта
Я использовал резистор в 1 Ватт.
Резистор R4 служит для ограничения тока на базе транзистора VT2. Номинал подбирать лучше опытным путем, контролируя выходное напряжение. Если сопротивление будет слишком большим, это заметно ограничит выходное напряжение схемы. В моем случае – это 100 Ом, мощность годится любая.
В качестве основного силового транзистора (VT1) лучше использовать транзисторы в корпусе ТО – 220 или более мощном (ТО247, ТО-3). Я использовал транзистор Е13009, купленный на Али Эксресс. Транзистор на напряжение до 400В и ток до 12А. Для подобной схемы высоковольтный транзистор – не самое оптимальное решение, но работать будет нормально. Транзистор скорее всего поддельный и 12 А не выдержит, а вот 5-6А вполне. В нашей схеме ток до 4А, поэтому для данной схемы годится. В данной схеме транзистор должен быть способен рассеять мощность до 30-35 Ватт.
Также транзистор должен быть рассчитан на ток от 5А и больше. Лучше брать транзистор со статическим коэффициентом передачи тока от 20. Китайский транзистор вполне соответствует данным требованиям. Перед запайкой в схему, я его проверил (ток и рассеиваемую мощность) на специальном стенде.
Т.к. TL431 может выдавать ток не более 100 мА, а для питания базы транзистора требуется больший ток, потребуется ещё один транзистор, который будет усиливать ток с выхода микросхемы TL431, повторяя опорное напряжение. Для этого и нужен транзистор VT2.
Транзистор VT2 должен быть способен подавать достаточный ток на базу транзистора VT1.
Грубо определить необходимый ток можно через статический коэффициент передачи тока (h21э или hFE или β) транзистора VT1. Если мы хотим на выходе иметь ток в 4 А, а статический коэффициент передачи тока VT1 равен 20, то:
I базы = I коллектора / β = 4 А / 20 = 0,2 А.
На выходе и входе установлены фильтры из конденсаторов: С1 и С4 (электролитические на 25В, 1000 мкФ) и С2, С5 (керамические 2-10 мкФ).
Диод D1 служит для защиты транзистора VT1 от обратного тока. Диод D2 нужен для защиты от транзистора при питании коллекторных электродвигателей. Двигатели при отключении питания ещё какое-то время крутятся и в режиме торможения работают как генераторы. Вырабатываемый таким образом ток идет в обратном направлении и может повредить транзистор. Диод в данном случае замыкает двигатель на себя и ток не доходит до транзистора. Резистор R5 выполняет роль малой нагрузки для стабилизации в холостом режиме, номинал 10к Ом, мощность любая.
Схема практически не имеет защит (имеется в виду, что нет защиты от КЗ, защиты от переполюсовки, плавного старта, ограничения по току и т.д.), поэтому использовать ее нужно очень аккуратно. По той же причине не рекомендуется использовать подобные схемы в «лабораторных» блоках питания. Для этой цели лучше подойдут готовые микросхемы в корпусе ТО-220 на токи до 5А, например КР142ЕН22А. Либо как минимум для данной схемы нужно сделать дополнительный модуль для защиты от КЗ.
Простые линейные стабилизаторы тока для светодиодов своими руками
Известно, что яркость светодиода очень сильно зависит от протекающего через него тока. В то же время ток светодиода очень круто зависит от питающего напряжения. Отсюда возникают заметные пульсации яркости даже при незначительной нестабильности питания.
Стабилизаторы тока на транзисторах
Для стабилизации тока через светодиоды можно применить хорошо известные решения:
На рисунке 1 представлена схема, работа которой основана на т.н. эмиттерном повторителе. Транзистор, включенный таким образом, стремится поддерживать напряжение на эмиттере в точности таким же, как и на базе (разница будет только в падении напряжения на переходе база-эмиттер). Таким образом, зафиксировав напряжение базы с помощью стабилитрона, мы получаем фиксированное напряжение на R1.
Далее, используя закон Ома, получаем ток эмиттера: Iэ = Uэ/R1. Ток эмиттера практически совпадает с током коллектора, а значит и с током через светодиоды.
Обычные диоды имеют очень слабую зависимость прямого напряжения от тока, поэтому возможно их применение вместо труднодоступных низковольтных стабилитронов. Вот два варианта схем для транзисторов разной проводимости, в которых стабилитроны заменены двумя обычными диодами VD1, VD2:
Ток через светодиоды задается подбором резистора R2. Резистор R1 выбирают таким образом, чтобы выйти на линейный участок ВАХ диодов (с учетом тока базы транзистора). Напряжение питания всей схемы должно быть не меньше, чем суммарное напряжение всех светодиодов плюс около 2-2.5 вольт сверху для устойчивой работы транзистора.
Сопротивление R1 будет зависеть от коэфф. усиления транзистора hfe и ВАХ диодов. Для S9014 и диодов 1N4148 достаточно будет 10 кОм.
Применим описанный стабилизатор для совершенствования одного из светодиодных светильников, описанного в этой статье. Улучшенная схема будет выглядеть так:
Данная доработка позволяет значительно снизить пульсации тока и, следовательно, яркости светодиодов. Но главный плюс схемы заключается в нормализации режима работы светодиодов и защита их от бросков напряжения во время включения. Это приводит к существенному продлению срока службы светодиодной лампы.
Из осциллограмм видно, что добавив в схему стабилизатор тока для светодиода на транзисторе и стабилитроне, мы тут же уменьшили амплитуду пульсаций в несколько раз:
При указанных на схеме номиналах, на транзисторе рассеивается мощность чуть больше 0.5 Вт, что позволяет обойтись без радиатора. Если емкость балластного конденсатора увеличить до 1.2 мкФ, то на транзисторе будет падать
23 Вольт, а мощность составит около 1 Вт. В этом случае без радиатора не обойтись, но зато пульсации понизятся чуть ли не до нуля.
Вместо указанного на схеме транзистора 2CS4544, можно взять 2SC2482 или аналогичный с током коллектора больше 100 мА и допустимым напряжением Uкэ не менее 300 В (подойдут, например, старые советские КТ940, КТ969).
Желаемый ток, как обычно, задается резистором R*. Стабилитрон рассчитан на напряжение 5.1 В и мощность 0.5 Вт. В качестве светодиодов применены распространенные smd-светодиоды из китайской лампочки (а еще лучше взять готовую лампу и добавить в нее недостающие компоненты).
Теперь рассмотрим схему, представленную на рисунке 2. Вот она отдельно:
Токовым датчиком здесь является резистор, сопротивление которого рассчитывается по формуле 0.6/Iнагр. При увеличении тока через светодиоды, транзистор VT2 начинает открываться сильнее, что приводит к более сильному запиранию транзистора VT1. Ток уменьшается. Таким образом происходит стабилизация выходного тока.
Также, вместо биполярного транзистора, можно применить p-канальный MOSFET. Схема, приведенная ниже, представляет собой мощный светильник на двух 10-ваттных светодиодах и 40-ваттном IRF9510 в корпусе ТО-220 (см. характеристики):
Транзистор VT2 и светодиоды необходимо разместить на общем радиаторе, площадью не менее 900 см 2 (это если без принудительного охлаждения). Использование термопасты обязательно. Ребра радиатора должен быть толстым и массивным, чтобы максимально быстро отводить тепло. Оцинкованные профили для гипсокартона, консервные банки из-под селедки и крышки от кастрюль категорически не подходят.
Если такая мощность не нужна, можно сократить количество светодиодов до одного. Но при этом придется понизить напряжение питания на 3-3.5 вольта. Иначе потребляемая мощность останется прежней, транзистор будет греться в два раза сильнее, а светить будет в два раза хуже.
Вместо IRF9510 можно взять, например, IRF9Z34N (19А, 55В) или NDP6020P (24А, 20В). Смотрите сами, какие есть в вашем распоряжении. Если совсем ничего нет, самое время закупиться по дешевке:
| наименование | характеристики | цена |
|---|---|---|
| IRF9510 | P-channel, 100V, 4A | 209 руб. / 10 шт. |
| IRF9Z34N | P-channel, 55V, 19A | 124 руб. / 10 шт. |
| NDP6020P | P-channel, 20V, 24A | 120 руб. / 10 шт. |
| Cree XM-L T6 | 10W, 3A | 135 руб. / шт. |
Ну а самая простейшая схема стабилизатора тока для светодиодов на полевом транзисторе состоит всего лишь из одного транзистора с закороченным накоротко затвором и истоком:
Вместо КП303Е подойдет, например, BF245C или аналогичный со встроенным каналом. Принцип действия схож со схемой на рисунке 1, только в качестве эталонного напряжения используется потенциал «земли». Величина выходного тока определяется исключительно начальным током стока (берется из даташита) и практически не зависит от напряжения сток-исток Uси. Это хорошо видно из графика выходной характеристики:
На схеме на рисунке 3 в цепь истока добавлен резистор R1, задающий некоторое обратное смещение затвора и позволяющий таким образом изменить ток стока (а значит и ток нагрузки).
Пример самого простого драйвера тока для светодиода представлен ниже:
Здесь применен полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом n-типа BSS229. Точное значение выходного тока будет зависеть от характеристик конкретного экземпляра и сопротивления R1.
Это, в общем-то, все способы превратить транзистор в стабилизатор тока. Есть еще так называемое токовое зеркало, но применительно к светодиодным светильникам оно не подходит. Поэтому перейдем к микросхемам.
Стабилизаторы тока на микросхемах
Микросхемы позволяют добиться гораздо более высоких характеристик, чем транзисторы. Чаще всего для сборки стабилизатор тока для светодиодов своими руками используют прецизионные термостабильные источники опорного напряжения (TL431, LM317 и другие).
TL431
Типовая схема стабилизатора тока для светодиодов на TL431 выглядит так:
Так как микросхема ведет себя так, чтобы поддерживать на резисторе R2 фиксированное напряжение 2.5 В, то ток через этот резистор всегда будет равен 2.5/R2. А если пренебречь током базы, то можно считать, что IRн = IR2. И чем выше будет коэффициент усиления транзистора hfe, тем больше эти токи будут совпадать.
А вот пример практического применения TL431 в светодиодной лампе:
На транзисторе падает около 20-30 В, рассеиваемая мощность составляет менее 1.5 Вт. Кроме указанного на схеме 2SC4544 можно применить более мощный BD711 или старый советский КТ940А. Транзисторы в корпусе TO-220 не требуют установки на радиатор до мощностей 1.5-2 Вт включительно.
Резистор R3 служит для ограничения импульса зарядки конденсатора при включении питания. Ток через нагрузку задается резистором R2.
Хотя я бы рекомендовал найти светодиоды в точно таком же форм-факторе (2.8х3.5мм), но мощностью 0.5 Вт. Они и греться будут меньше и прослужат дольше.
Найти такие светодиоды, а также все необходимое для сборки схемы можно по этим ссылкам:
| наименование | характеристики | цена |
|---|---|---|
| SMD 2835 | LED, 3.3V, 0.15A, 0.5W | 67 руб. / 100 шт. |
| 2SC4544 | NPN, 300V, 0.1A | 10 руб. / шт. |
| BD711 | NPN, 100V, 12A | 120 руб. / 10 шт. |
| 1N4007 | 1000V, 1A | 51 руб. / 100 шт. |
| TL431A | 36V, 100mA | 87 руб. / 100 шт. |
Разумеется, приведенную схему стабилизатора тока для светодиодов на 220 В можно пересчитать под любой необходимый ток и/или другое количество имеющихся в распоряжении светодиодов.
С учетом допустимого разброса напряжения 220 Вольт (см. ГОСТ 29322-2014), выпрямленное напряжение на конденсаторе C1 будет находиться в диапазоне от 293 до 358 В, поэтому он должен быть рассчитан на напряжение не менее 400 В.
Исходя из диапазона питающих напряжений, рассчитываются параметры остальных элементов схемы.
Например, резистор, задающий рабочий режим микросхемы DA1 должен обеспечивать ток не менее 0.5 мА при напряжении на С1 = 293 В. Максимальное количество светодиодов не должно превышать NLED = 100 мА). Отлично подойдут упомянутые выше 1N4007.
Как видите, схемка простейшая и не содержит каких-либо доростоящих компонентов. Вот текущие цены (и они, скорее всего, будут и дальше снижаться):
| название | характеристики | стоимость |
|---|---|---|
| SMD 5630 | LED, 3.3V, 0.15A, 0.5W | 240руб. / 1000шт. |
| LM317 | 1.25-37V, >1.5A | 112руб. / 10шт. |
| MB6S | 600V, 0.5A | 67руб. / 20шт. |
| 120μF, 400V | 18х30mm | 560руб. / 10шт. |
Таким образом, потратив в общей сложности 1000 руб., можно собрать десяток 30-ваттных (. ) не мерцающих (. ) лампочек. А так как светодиоды работают не на полную мощность, а единственный электролит не перегревается, то эти лампы будут практически вечными.
Вместо заключения
К недостаткам приведенных в статье схем следует отнести низкий КПД за счет бесполезной траты мощности на регулирующих элементах. Впрочем, это свойственно всем линейным стабилизаторам тока.
Низкий коэффициент полезного действия неприемлем для устройств, питающихся от автономных источников тока (светильники, фонарики и т.п.). Существенного повышения КПД (90% и более) можно добиться применением импульсных стабилизаторов тока.
Транзисторный стабилизатор своими руками
 |  |
