Malý stabilizovaný zdroj pro nízkopříkonové aplikace

Malý stabilizovaný zdroj pro nízkopříkonové aplikace
Jistě to všichni znáte. Potřebujete zdroj malého proudu (například pro předzesilovač nebo pro
nějaké jiné nenáročné zapojení). Co následuje? No to se obvykle vybere některé ze základních
zapojení (například s LM317), navrhne se na něj nějaká deska nad kterou se i přes její jednoduchost
stráví nezanedbatelné množství času. Někdy jindy opět vyvstane potřeba zdroje ale tentokrát o něco
jiných parametrů a navíc se nám nechce absolvovat cestu do obchodu a tak se zkusí vyrobit něco z
toho co je v šuplíku (třeba klasický sériový regulátor s tranzistorem a zenerovou diodou). Ale ouha původní deska nepasuje protože tranzistor má jiné rozmístění vývodů, jiné pouzdro a vůbec schema
je jiné ač stejně jednoduché. A tak se zase navrhne deska, obvykle jiných rozměrů a s jiným
rozmístěním vývodů která je jen o kousek jiná než ta předchozí ale bylo třeba tomu věnovat v
podstatě stejně času jako vývoji zcela nové desky. A příště se situace opět opakuje. To je ovšem
dosti neefektivní, zejména z hlediska času.
Proto jsem navrhl desku na malý zdroj na které lze realizovat drtivá většina základních zapojení
lineárného zdroje v rozsahu od několika mA až do cca 1A (s přídavným chlazením). Desku lze v
uvozovkách osadit téměř čímkoliv co najdeme v šuplíku. Zní to divně že? Přece když máme desku
na sériový regulátor s LM317 tak tam nemůžu osadit paralelní regulátor s tranzistorem? Nebo
sériový regulátor s posílenou referencí TL431? Jistě že lze, stačilo se jen trochu zamyslet a
uspořádat součástky na desce tak, aby šly snadno zaměnit za jiné. Díky tomu není deska obludně
veliká ani zbytečně složitá jak by člověk čekal. Ostatně přesvědčete se sami:
Zvětšený náhled desky. Reálná deska má rozměry pouze 7 x 5cm
Fakta:
• Je to celkem 12 odlišných zapojení
• 5 z nich obsahuje tranzistor.
• Do zapojení obsahujících tranzistor je možné osadit tranzistor v pouzdře TO220, TO126
nebo TO39
• Protože tranzistory v pouzdrech TO220, TO126 nebo TO39 mají nejen jiný tvar ale též i
rozmístění a pořadí vývodů dává nám jen těch 5 základních zapojení 3x5=15 možností
osazení
• Deska umožňuje konstrukci sériových i paralelních regulátorů
• Deska obsahuje dva zcela identické (jen zrcadlově otočené) galvanicky oddělené zdroje. To
znamená že výsledná deska umožňuje výstup dvou stejných či nestejných napětí (ať už
kladných či záporných) nebo při napájení z trafa se dvěma samostatnými (nespojenými)
sekundáry i symetrické výstupní napětí.
Vzhledem k možnostem osazení zdroje je zajímavé že každý z obou zdrojů obsahuje pouze jen
jednu propojku. Zdroje jsou dva takže na desce jsou dvě propojky. Třetí se používá pouze pokud se
zdroj používá jako symetrický (viz záporné varianty). Myslím že to je každému jasné ale pro jistotu
doufávám že zatížitelnost zdroje závisí na zvoleném typu zapojení, dimenzování součástek a
provozních podmínkách (rozdíl vstupního a výstupního napětí). To je příliš mnoho proměnných a
tak to nelze dopředu určit. Tepelné ztráty na regulačním prvku jsou dány jeho chlazením. Lze tam
sice přišroubovat malý chladič v podobě malého U-profilu ale opravdu jen malý protože drží pouze
na nohou tranzistoru což není vhodné. Proto je nutné k tomuto přistupovat rozumně. Napájet s tím
normální předzesilovač (či jinou nenáročnou aplikaci) by však neměl být problém.
Jaké konkrétní zapojení deska umožňuje:
Schemata možných variant osazení
Poznámka:
První schema je pouze orientační aby bylo vidět pro co všechno jsou připravené pozice na desce.
Podle tohoto schematu se nic nezapojuje. Zapojují se pouze schemata označená písmenem a
uvedená v textu.
Sériové regulátory:
•
•
•
•
•
•
LM317 standardní zapojení včetně ochranných diod, blokovacích kondenzátorů atd.
(schema A)
LM317 podložená externí napěťovou referencí TL431 (schema B)
78xx standardní zapojení (schema C)
78xx s nastaveným vyšším napětím než odpovídá nominálnímu pomocí odporového děliče
(podobně jako LM317) (schema A)
78xx s nastaveným vyšším napětím než odpovídá nominálnímu pomocí obyčejné,
schottkyho či LED diody (schema D)
78xx s nastaveným vyšším napětím než odpovídá nominálnímu pomocí zenerovy diody
(schema E)
•
•
•
•
•
•
•
78xx s nastaveným vyšším napětím než odpovídá nominálnímu pomocí externí napěťové
reference TL431 (schema B)
regulátor s NPN tranzistorem v pouzdře TO220 s výstupním napětím odvozené od zenerovy
diody (schema F)
regulátor s NPN tranzistorem v pouzdře TO220 s výstupním napětím odvozené od napěťové
reference TL431 (schema G)
regulátor s NPN tranzistorem v pouzdře TO126 s výstupním napětím odvozené od zenerovy
diody (schema F)
regulátor s NPN tranzistorem v pouzdře TO126 s výstupním napětím odvozené od napěťové
reference TL431 (schema G)
regulátor s NPN tranzistorem v pouzdře TO39 s výstupním napětím odvozené od zenerovy
diody (schema F)
regulátor s NPN tranzistorem v pouzdře TO39 s výstupním napětím odvozené od napěťové
reference TL431 (schema G)
Paralelní regulátory:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
prostý regulátor se zenerovou diodou (jen pro velmi malé výstupní proudy) (schema H)
regulátor se zenerovou diodou posílenou PNP tranzistorem v pouzdře TO220 (schema I)
regulátor se zenerovou diodou posílenou PNP tranzistorem v pouzdře TO126 (schema I)
regulátor se zenerovou diodou posílenou PNP tranzistorem v pouzdře TO39 (schema I)
regulátor se zenerovou diodou posílenou NPN tranzistorem v pouzdře TO220 (schema J)
regulátor se zenerovou diodou posílenou NPN tranzistorem v pouzdře TO126 (schema J)
regulátor se zenerovou diodou posílenou NPN tranzistorem v pouzdře TO39 (schema J)
prostý regulátor s napěťovou referencí TL431 (jen pro velmi malé výstupní proudy)
(schema K)
regulátor s napěťovou referencí TL431 posílenou PNP tranzistorem v pouzdře TO220
(schema L)
regulátor s napěťovou referencí TL431 posílenou PNP tranzistorem v pouzdře TO126
(schema L)
regulátor s napěťovou referencí TL431 posílenou PNP tranzistorem v pouzdře TO39
(schema L)
Záporné varianty
Výčet zapojení i tak není kompletní. Na desce je možné realizovat celou řadu stabilizátorů
záporného napětí odvozených od svých „kladných“ variant. Jsou to všechny s výjimkou zapojení
B,G a L které jsou vylepšenou verzí zapojení M, N a O ale lze je realizovat pouze v kladných
variantách. Tím se nám možnosti zapojení rozrůstají z 24 o dalších 21 variant na celkový počet 45.
Stačí pouze otočit polaritu diod, tranzistorů, elektrolytických kondenzátorů a u zapojení K TL431.
U zapojení K se pak zaměňuje smysl rezistorů R2 a R3 a je třeba tomu přizpůsobit výpočet. Tyto
záporné varianty jsem jako samostatná schemata nezakresloval protože se domnívám že tento popis
je dostačující.
Propojka JP2
Protože deska obsahuje dva zcela samostatné galvanicky oddělené zdroje je možné na ní realizovat
krom dvou nezávislých zdrojů též dvě verze zdroje symetrického. První verze je tvořena klasicky
jednou polovinou pozitivní a druhou negativní (například pomocí LM317 a LM337). Druhé méně
běžná verze je tvořena dvěma stejnými pozitivními (či negativními) regulátory zapojenými do série
tak, že jejich spojený společný bod tvoří nulový potenciál. K tomuto slouží propojka JP2.
Podmínkou realizace této možnosti je nutnost každou polovinu zdroje napájet z galvanicky
odděleného zdroje jinak dojde ke zkratu! Realizovat takový zdroj však není problém protože malé
zalité transformátorky se dvěma sekundárními vinutími jsou běžně dostupné.
Rozměry desky
Celkové rozměry desky jsou 70 x 50mm což odpovídá rozměrům desky projektu LaDA2075. V
případě použití obou modulů v jedné aplikaci vedle sebe vypadá estetičtěji když mají obě desky
stejné rozměry..
Orientace aktivních prvků:
Nejdůležitější částí celého osazovacího procesu, při kterém člověk udělá snadno chybu, je
osazení aktivního regulačního prvku. Obvykle máme pouze tři vývody kterými se musíme strefit do
třech děr. To znamená že máme jen dvě možnosti jak součástku do desky plošných spojů osadit a
tedy jen dvě možnosti v poměru 50:50 jak to může dopadnout při nepozorném osazování – dobře
nebo špatně. Zde ovšem vkládáme součástku se třemi vývody do desky kde je na tuto součástku
přichystáno celkem 5+1 děr! Přitom součástka může být správné umístěna jak čelem k sobě tak od
sebe. Proto věnujte zvýšenou pozornost všem doprovodným informacím, tedy nejen osazovacímu
nákresu a popisu změn u jednotlivých zapojení, ale i klíči který by měl usnadnit správné osazení
regulačního prvku do desky. Za tímto účelem jsou vývody regulačních prvků popsány stejně jako
vývody na desce takže stačí součástku natočit tak aby se popis a pořadí jejích vývodů shodoval s
popisem na desce. Osadit lze mnoho různých typů tranzistorů a většina z nich se bude v závislosti
na typu pouzdra shodovat s některým z příkladů uvedených níže nicméně doporučuji si reálné
rozmístění vývodů zkontrolovat.
Příklady rozmístění vývodů některých polovodičů
Poznámka:
POZOR při nákupu BD139 (135, 137) a podobných trantistorů v GME !!! Mají dva typy od
výrobců Philips a Thomson s odlišným pořadím vývodů. Thomson (označen jako BD139-10) má
pořadí vývodů BCE kdežto Philips (označen jako BD139-16) ECB. Do desky lze pochopitelně
osadit oba typy jen je třeba dávat pozor na pořadí vývodů a tím pádem i na orientaci pouzdra. Viz
BD139 na stránkách GM Electronic tedy pravděpodobné že stejné problémy budou i při nákupu
jinde. DÁVEJTE SI PROTO POZOR CO A JAK DO DESKY STRKÁTE!
Osazení jednotlivých variant a jejich rozdíly:
Protože jednotlivá zapojení se od sebe liší bude se lišit i osazení desky přestože ta je pro všechna
zapojení stejná. Popis je pro přehlednost udává vůči orientačnímu schematu, respektive vůči tomu
jak jsou součástky označené v osazovacím náhledu desky. Z téhož důvodu jsou v jednotlivých
schematech číslovány součástky na dané pozici vždy stejně i za cenu vynechání některého
pořadového čísla (když na schematu ta součástka prostě není). Odpor R2 je tedy vždy odpor R2 ať
se koukáme na jakékoliv schema i když tam chybí R1.
Co platí pro všechna schemata bez výjimky:
C1A = elektrolytické kondenzátory cca 47uF dimenzované na vstupní napětí + rezerva
C1B = elektrolytické kondenzátory cca 47uF dimenzované na vstupní napětí + rezerva. Pokud ho
máme/seženeme je vhodné jej nahradit tantalovým kondenzátorem. Pak stačí i menší kapacita (15uF).
C4 (pokud v zapojení je) = elektrolytický kondenzátor cca 5-25uF dimenzovaný na výstupní
napětí + rezerva. Pokud ho máme/seženeme je vhodné jej nahradit tantalovým kondenzátorem. Pak
stačí i menší kapacita (1-5uF).
C6 = elektrolytický kondenzátor cca 47uF dimenzovaný na výstupní napětí + rezerva. Pokud ho
máme/seženeme je vhodné jej nahradit tantalovým kondenzátorem. Pak stačí i menší kapacita
(5-10uF).
C2, C5 a C3 (pokud na schematu je) = keramický kondenzátor 100nF na 50V, u vyšších napětí
raději 100V. Pokud jsou na předcházejících pozicích (C1B, C4, C6) použity tantalové kondenzátory
je vhodné kapacitu keramických kondenzátorů snížit na cca 10nF).
D1, D2 (pokud na schematu jsou) = univerzální 1A diody (např, 1N4007).
Pokud je v zapojení obvod TL431 pak se velikost jeho předřadného odporu stanovuje tak aby
minimální proud jím tekoucí nebyl menší než 1mA (lépe >3mA]. S menším proudem IO nepracuje
správně.
U paralelních regulátorů (schemata H, I, J, K a L) se v případě předpokládané větší výkonové ztráty
na rezistoru R1 může tento výkonový odpor umístit na výšku (zvětšený pájecí bod pod ním by ho
měl udržet pokud se to nepřežene) a neosazovat C1A který by byl odpadním teplem velmi namáhán.
O to větší nároky jsou pak kladené ale na C1B.
Poznámka:
Tantalové kondenzátory není problém sehnat na nízká napětí. S rostoucím provozním napětím jejich
sehnatelnost i cena stoupá. Neočekávejte tedy že v krámu budou mít běžně tantalové kondenzátory
na více než odhadem 25V. Je však vhodné se po nich pozeptat jelikož mají lepší vlastnosti než
běžné hliníkové elektrolytické.
Důležité upozornění:
Na co bych zvláště upozornil je že u všech verzí zapojení kde je použitý TL431 je nutné přerušit na
desce spoj mezi dvěma X což je na desce i naznačeno mírným zúžením spoje. Stejné místo je pak
označeno i ve schematu.
Schema A
Neosazuje se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) R1 a R4.
Výstupní napětí je součtem základního výstupního napětí integrovaného stabilizátoru napětí a
napětí vytvořeném na děliči R2 a R3. Iadj by měl tvořit jern malý zlomek proudu tekoucí děličem
aby tento proměnlivý proud neovlivňoval napětí nastavené na děliči a tedy i napětí
výstupní.Výsledný výpočet tedy je dle vzorce Vout = Vref* (1 + R2 / R1) + Iadj*R2, kde Vref =
1,25V a Iadj ≤ 0,1mA u LM317 (viz datasheet) a xxV u 78xx (například 5V u 7805).
Výsledné napětí je rovno napětí Vka nastavené na TL431 + Vref, kde napětí Vka je napětí
nastavené na vývodech TL431 pomocí R2 a R3 (viz datasheet TL431) a Vref je základní napětí
integrovaného stabilizátoru napětí. Máme-li tedy stabilizátor 7805 a potřebujeme výstupní napětí
15V pak stačí pomocí R2 a R3 na TL431 nastavit napětí 10V. Výpočet R1 viz klasické základní
zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou 0,9*((Uin-Uout)/Imax).
Schema B
Neosazuje se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) R1 a R4.
Výsledné napětí je rovno napětí Vka nastavené na TL431 + Vref, kde napětí Vka je napětí
nastavené na vývodech TL431 pomocí R2 a R3 (viz datasheet TL431) a Vref je základní napětí
integrovaného stabilizátoru napětí. Máme-li tedy stabilizátor 7805 a potřebujeme výstupní napětí
15V pak stačí pomocí R2 a R3 na TL431 nastavit napětí 10V. Výpočet R1 viz klasické základní
zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou 0,9*((Uin-Uout)/Imax).
Schema C
Neosazuje se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) R1, R2, R3, R4, D2, C4
C3 se nahradí propojkou
Výstupní napětí je rovno referenčnímu napětí pevného stabilizátoru. Například u 7815 je to tedy
15V, u LM317 1,25V, u 7912 -12V atd.
Schema D
Neosazuje se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) R1 a R4.
D3 se osazuje na pozici R3 pokud se použije běžná křemíková či schottkyho dioda. Pokud se
použije LED dioda pak se pozice R3/D3 neosazuje, dioda se osadí místo C4.
Odpor R2 zvětšuje proud diodou na patřičnou velikost tak aby se dostala do lineární části její
charakteristiky. Je to nutné díky příliš malému proudu Iadj který vytéká z integrovaného
stabilizátoru a protéká diodou. Jeho odpor se stanovuje tak aby tento odpor spolu s diodou tvořily
dostatečně tvrdý dělič napětí vzhledem k proudu Iadj. Iadj by měl tvořit jen zlomek proudu
protékající diodou aby se napětí na diodě neměnilo a spolu s ním i výstupní napětí.
Výstupní napětí se vypočítá dle vzorce Uout = Uref + Ud kde Uref je minimální výstupní napětí
integrovaného obvodu (např.1,25V u LM317 nebo 5V u 7805) a Ud je úbytek napětí na diodě v
závěrném směru. Toto napětí se liší podle typu použité diody.
Schema E
Neosazuje se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) R1 a R4.
ZD se osazuje na pozici R3 anodou směrem k zemi
Čerchovaně zakreslený odpor R2 zvětšuje proud zenerovou diodou na patřičnou velikost tak aby se
dostala do lineární části její charakteristiky. Je to nutné díky příliš malému proudu Iadj který vytéká
z integrovaného stabilizátoru a protéká diodou. Jeho odpor se stanovuje tak aby tento odpor spolu s
diodou tvořily dostatečně tvrdý dělič napětí vzhledem k proudu Iadj. Iadj by měl tvořit jen zlomek
proudu protékající diodou aby se napětí na diodě neměnilo a spolu s ním i výstupní napětí.
Výstupní napětí se vypočítá dle vzorce Uout = Uref + Uz kde Uref je minimální výstupní napětí
integrovaného obvodu (např.1,25V u LM317 nebo 5V u 7805) a Uz je Zenerovo napětí na diodě v
závěrném směru. Toto napětí se liší podle typu použité diody.
Schema F
Neosazuje se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) R2.
Místo R3 se osazuje ZD.
Velikost R1 se stanovuje tak aby požadovaný Iout vydělený zesilovacím činitelem tranzistoru byl
menší než 1/10 proudu protékající diodou.
Výsledné napětí je rovno Zenerovu napětí diody Uz + Ube (cca 0,7V u normálního tranzistoru a
1,4V u darlingtonu). Výpočet R1 viz klasické základní zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou
0,9*((Uin-Uout)/Imax).
Schema G
Neosazuje se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) D2, R4, C4.
Výsledné napětí je rovno napětí Vka nastavené na TL431 + Ube (cca 0,7V u normálního tranzistoru
a 1,4V u darlingtonu). Napětí Vka se na TL431 nastavuje pomocí R2 a R3 (viz datasheet TL431).
Výpočet R1 viz klasické základní zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou 0,9*((UinUout)/Imax).
Schema H
Neosazují se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) D1, D2, R2, R3, R4, C3, C4, propojka
JP1.
R1 (výkonový) se osadí na pozici D1.
ZD se zapojí anodou na pájecí bod umístěný mezi pravým pájecím bodem D1 (nyní R1) a mezi
levým pájecím bodem R4. Katoda diody se zapojí do pájecího bodu nahoře nad JP1.
pod D2 a anodou na zemní pájecí bod C3.
Výstupní napětí je rovno Zenerovu napětí diody Uz. Výpočet R1 viz klasické základní zapojení
stabilizátoru se Zenerovou diodou 0,9*((Uin-Uout)/Imax).
Schema I
Neosazují se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) D1, D2, C4, R4.
R1 se osadí na pozici D1.
ZD se osadí na pozici R3.
Vývod kolektoru tranzistoru (C) se mírně ohne a připájí do pájecího bodu označeného písmenem G.
Výsledné napětí je rovno Zenerovu napětí diody Uz + Ube (cca 0,7V u normálního tranzistoru a
1,4V u darlingtonu). Výpočet R1 viz klasické základní zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou
0,9*((Uin-Uout)/Imax). R2 se vypočítá jako Ube/Ibmax => (0,9*(Ubemin*h21emin))/Imax.
Schema J
Neosazují se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) pozice D2, R1, C4.
R1 se osadí na pozici D1.
Zd se osadí na pozici R2.
Na pozici D2 se osadí malý keramický kondenzátor o velikosti několika desítek nF.
Výsledné napětí je rovno napětí Uz + Ube (cca 0,7V u normálního tranzistoru a 1,4V u
darlingtonu). Výpočet R1 viz klasické základní zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou
0,9*((Uin-Uout)/Imax). R3 se vypočítá jako Ube/Ibmax => (0,9*(Ubemin*h21emin))/Imax.
Schema K
Neosazují se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) D1, D2, C4, R4, propojka JP1.
R1 se osadí na pozici D1.
V místě označeném na schematu x (na desce je to spoj mezi dvěma x) se spoj přeruší.
Propojkou se propojí pravé (ve smyslu že konektory jsou vlevo) pájecí body O a A v místě kde se u
jiných zapojení obvykle nachází tranzistor či integrovaný stabilizátor.
Výsledné napětí je rovno napětí Vka nastavené na TL431 pomocí R2 a R3 (viz datasheet TL431).
Výpočet R1 viz klasické základní zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou 0,9*((UinUout)/Imax).
Schema L
Neosazují se (oproti orientačnímu schematu a osazováku) pozice R1, C4.
R1 se osadí na pozici D1.
R4 se zapojí na stojáka mezi levý pájecí bod O (ve smyslu že konektory jsou vlevo) a pravý vývod
pozice R1.
V místě označeném na schematu x (na desce je to spoj mezi dvěma x) se spoj přeruší.
TL431 se zapojí na pozici C4 tak jak je naznačeno v osazovacím výkresu.
C3 se velice doporučuje nahradit tantalovým typem kolem 5uF.
Kolektor tranzistoru (C) se zapojí do bodu označeného G.
Výsledné napětí je rovno napětí Vka nastavené na TL431 + Ube (cca 0,7V u normálního tranzistoru
a 1,4V u darlingtonu). Napětí Vka se na TL431 nastavuje pomocí R2 a R3 (viz datasheet TL431).
Výpočet R1 viz klasické základní zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou 0,9*((UinUout)/Imax). R4 se vypočítá jako Ube/Ibmax => (0,9*(Ubemin*h21emin))/Imax.
Podklady pro výrobu DPS - formát Adobe Acrobat .PDF
Předloha DPS negativní překlopená - pro výrobu negativní fotocestou
Předloha DPS pozitivní překlopená - pro výrobu pozitivní fotocestou
Předloha DPS pozitivní - pro výrobu nažehlováním
Podklady pro výrobu DPS - formát OpenOffice .ODT
Předloha DPS negativní překlopená - pro výrobu negativní fotocestou
Předloha DPS pozitivní překlopená - pro výrobu pozitivní fotocestou
Předloha DPS pozitivní - pro výrobu nažehlováním
Podklady pro výrobu DPS - formát Compuserve .GIF (600 DPI)
Předloha DPS negativní překlopená - pro výrobu negativní fotocestou
Předloha DPS pozitivní překlopená - pro výrobu pozitivní fotocestou
Předloha DPS pozitivní - pro výrobu nažehlováním
Užitečné odkazy:
Datasheet k LM317, LM217, LM117
Datasheet k LM337, LM137
Datasheet k 78xx
Datasheet k 79xx
Datasheet k TL431
Vytvořil Ondřej Tyrichter alias Thales 2010