Стабилизатор тока последовательное включение

Увеличение выходного напряжения и максимального тока при помощи последовательного соединения изолированных преобразователей семейства μModule

Авторы статьи

Хесус Росалес (Jesus Rosales) Вилли Чан (Willie Chan) Перевод: Владимир Рентюк

(Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №4 2014)

Изолированные преобразователи μModule компании Linear Technology представляют собой компактные решения для систем питания с изолированными контурами заземления. Устройства используют архитектуру обратноходовых преобразователей (Flyback Converter), в которой максимальный выходной ток зависит как от входного, так и от выходного напряжения. Хотя собственный диапазон выходного напряжения преобразователей μModule ограничен максимальным значением в 12 В, существует решение, позволяющее увеличить не только выходное напряжение, но и выходной ток вторичных источников питания, выполненных на их основе. Столь простое решение предусматривает последовательное включение вторичных цепей двух или более изолированных преобразователей μModule.

Рис. 1. Типовая зависимость максимального выходного тока преобразователя от входного напряжения

Рис. 2. Два преобразователя μModule типа LTM8057 с выходами, соединенные последовательно и предназначенные для обеспечения выходного напряжения 10 В с максимальным током 300 мА и входным напряжением 20 В

Для того чтобы продемонстрировать такой подход к дизайну схемотехнического решения, возьмем в качестве примера вариант схемы на модулях LTM8057 и LTM8058, которые отвечают требованиям стандарта UL60950 и имеют электрическую прочность изоляции между входом и выходом не менее 2 кВ AC. Этот же подход может быть применен и к преобразователям LTM8046, LTM8047 и LTM8048. Предположим, что при входном напряжении 20 В нам не-обходимо обеспечить выходное номинальное напряжение равным 10 В при токе нагрузки до 300 мА. Согласно графику, приведенному на рис. 1 и описывающему зависимость максимального выходного тока преобразователя LTM8057 от уровней его входного и выходного напряжений, мы видим, что сам по себе преобразователь LTM8057 является недостаточным для выполнения необходимых нам требований при заданных условиях в части входного и выходного напряжений.

Тем не менее при входном напряжении, равном 20 В, преобразователь LTM8057 обеспечивает выходной ток на уровне 300 мА, но лишь при выходном напряжении 5 В. Таким образом, решение очевидно, поскольку выходное напряжение преобразователя изолировано от входного, то для достижения заданного выходного напряжения, равного 10 В при токе 300 мА, выходы двух преобразователей типа LTM8057 с предустановкой выходного напряжения в 5 В могут быть просто соединены последовательно (рис. 2).

Решение, приведенное на рис. 2, можно использовать и для увеличения диапазона выходного напряжения, когда требуется выходное напряжение выше, чем максимальное в 12 В. Этого удается достичь, устанавливая значение регулирующих выходное напряжение резисторов цепи обратной связи таким образом, чтобы обеспечить, например, номинальное выходное напряжение, равное 7,5 В. При последовательном соединении двух таких преобразователей их суммарное выходное напряжение возрастет до 15 В. Максимальный выходной ток для данного варианта схемотехнического решения с выходным напряжением 15 В будет тот же самый, что и для единичного устройства, выполненного на базе преобразователя напряжения μModule, с выходным напряжением 7,5 В (рис. 3).

Рис. 3. Два преобразователя μModule типа LTM8057 с последовательно соединенными выходами для варианта схемы с выходным током более 160 мА при выходном напряжении 15 В и входном напряжении 12 В

Рис. 4. Два преобразователя μModule типа LTM8058, включенные последовательно через V OUT2 , для варианта с выходным напряжением в 10 В

Схема, приведенная на рис. 2, позволяет реализовать еще один – третий из возможных вариантов ее использования, а именно сформировать двуполярное выходное напряжение с общим заземлением. Точка возврата тока (return node), на схемах обозначенная как RTN или более привычная для нас под названием «общий провод», делается общей для обоих выходов с подключением в средней точке (имеется в виду общая точка подключения конденсаторов С2 и С5. – Прим. переводчика). При таком включении схема на рис. 2 будет иметь выходы с напряжениями +5 и –5 В с общим контуром заземления во вторичной цепи. При необходимости каждый выход схемы можно настроить на свою величину выходного напряжения, поскольку выходные напряжения для каждого преобразователя устанавливаются независимо.

Возможности изолированных преобразователей μModule расширяются без какого-либо ухудшения их выходных шумовых характеристик, выполняется это добавлением одного или более дополнительных изолированных преобразователей с последовательным включением их выходных цепей.

Малый уровень собственных шумов, который является неоспоримым преимуществом преобразователя LTM8058 со встроенным компенсационным стабилизатором напряжения и малым собственным падением напряжения, так называемым LDO-стабилизатором (англ. LDO – Low Drop Out), может сохраняться и при последовательно соединенных выходах нескольких преобразователей. На рис. 4 показана схема для двух преобразователей типа LTM8058 с использованием такого включения через выход Vout2, то есть относительно выходов внутреннего LDO-стабилизатора, соединенных последовательно для получения выходного напряжения в 10 В. На рис. 5 показан выходной спектр шумов LTM8058 под нагрузкой 100 мА при выходном напряжении 10 В с использованием выходов LDO-стабилизаторов напряжения, соединенных последовательно (рис. 4, дано схематично), а также вариант с применением прямых вы-ходов непосредственно обратноходового преобразователя (без стабилизатора), также соединенных последовательно.

Комментарий специалиста

Александр Федоров, инженер по внедрению PT Electronics,

В данной статье показан весьма простой и эффективный способ масштабирования и расширения возможностей DC/DC-узла. Ситуация разобрана на примере изолированных DC/DC-модулей от Linear Technology, которые благодаря продуманной топологии позволяют наращивать выходной ток и (или) напряжение самым прозаичным методом.

Рис. 5. Спектр шумов двух преобразователей типа LTM8058 с выходным напряжением 10 В при токе нагрузки 100 мА в варианте включения: а) с последовательным соединением относительно выходов внутреннего компенсационного стабилизатора; б) с использованием прямых выходов непосредственно обратноходового преобразователя

Преобразователи μModule компании Linear Technology обеспечивают простые и компактные решения для изолированных источников питания с регулируемым выходным напряжением. Представленные здесь решения на базе преобразователей LTM8057 и LTM8058 с успехом демонстрируют, что возможности отдельных преобразователей типа μModule в части их выходных каскадов могут быть легко увеличены путем добавления одного или более таких изолированных преобразователей с их последовательным включением по выходам, при этом они сохраняют свои выходные шумовые характеристики на прежнем уровне.

Стабилитрон. Особенности практического применения.

Рассказано о назначении и применении стабилитронов, как проверить их исправность и основные параметры, чем и как можно заменить.

Сердцем практически любого стабилизатора напряжения является стабилитрон. Его основная функция поддерживать постоянное напряжение на выходе при изменении напряжения на входе. Информации на эту тему очень много. Я постараюсь ее систематизировать и подать максимально коротко, только то, что нужно для практики.

На схемах обозначаются так:

Выглядят, в основном, вот так:

Стабилитрон — специально изготовленный диод с особой воль-амперной характеристикой. Показать ее и пояснить нужно обязательно, для понимания принципа работы. Вот как она выглядит для обычного стабилитрона, например, Д814:

Когда на анод подают плюс, а на катод минус, то стабилитрон ведет себя как обычный диод. На рисунке прямая ветвь. При возрастании напряжения ток растет. Когда плюс подают на катод, а минус на анод, т.е. включают в обратном направлении, то характеристика стабилитрона, зависимость тока через него от приложенного напряжения, тоже кардинально меняется. Это хорошо видно по форме обратной ветви характеристики. Когда напряжение на стабилитроне достигает напряжения пробоя, cтабилитрон пробивается, но не перегорает, так как ток через него ограничен резистором. Этот резистор называется балластным. Если не будет этого резистора, или его номинал подобран не правильно, то стабилитрон выйдет из строя. Величина сопротивления этого резистора подбирается таким образом, чтобы в диапазоне изменения входных напряжений ток через стабилитрон не выходил за допустимые для данного стабилитрона пределы Iст min Iст max. При этом напряжение на стабилитроне остается постоянным и равно напряжению стабилизации. Его величина для каждого типа стабилитрона своя. У двуханодных стабилитронов прямая ветвь такая же как и обратная только расположена справа вверху. В схемах двуханодный стабилитрон можно включать независимо от полярности входного напряжения. Это удобно для ограничения переменного напряжения по амплитуде.

Типовая схема включения стабилитрона на конкретном примере:

Параметры стабилитрона КС182 указаны в справочнике:

Напряжение стабилизации стабилитрона 8,2В. При этом ток стабилизации может изменяться от 3мА до 17мА.

Как правило, в расчетах рекомендуют брать минимальное напряжение на входе в 1,5 раза выше напряжения стабилизации. Получаем 12,3 В. Максимальное примем исходя из допустимого разброса напряжения сети 20%. Получаем 14,73 В. Номинал резистора по закону Ома можно посчитать вручную, но в интернете много онлайн калькуляторов для решения таких задач, например, вот этот:

При таких заданных параметрах получим ток в нагрузке от 0 до 12 мА, что соответствует максимальной мощности 0,1 Вт.

Сопротивление балластного резистора 340 Ом, его мощность 0,125 Вт.

Мощность стабилитрона 0,156 Вт.

Мощность, рассеиваемая на резисторе и стабилитроне, составляет в сумме 0,28 Вт. При этом мощность в нагрузке 0,1 Вт. КПД получается 36%. При больших мощностях это не рационально.

Теперь основные моменты из практики.

1. Как проверить исправность стабилитрона? Обычный стабилитрон проверяется как диод, т.е. прозванивается мультиметром и должен обладать односторонне проводимостью. Другое дело, стабилитрон двухстронний (или двуханодный) или стабилитрон с защитным диодом. Их прозвонить как диод не удастся. Они показывают обрыв в обе стороны. Проверяются только по методике, указанной в следующем пункте.
2. Проверка напряжения стабилизации. Перед проверкой нужно определиться с мощностью стабилитрона. Это можно сделать по внешнему виду. Если стабилитрон малых размеров и выводы тонкие, то это малая мощность с током стабилизации от 3 до 20 мА. Если корпус чуть больше и выводы толще, то это средняя мощность и ток стабилизации до 90 мА. Ну а мощный стабилитрон имеет большие размеры и возможность установки на радиатор. У него ток стабилизации до ампера и выше.

Есть еще одна особенность. Чем выше напряжение стабилизации стабилитрона, тем меньше ток стабилизации, так как определяющей в этом случае является рассеиваемая стабилитроном мощность. Так что для стабилитронов малой и средней мощности при проверке достаточно тока 10 мА, для большой мощности 20-30мА. Поэтому для большинства проверок стабилитронов с напряжением стабилизации до 30В берем резистор 1-2 кОм и через него подключаем катод стабилитрона к плюсу регулируемого блока питания, анод соответственно к минусу.

Параллельно стабилитрону подключаем вольтметр. От нуля плавно повышаем напряжение и следим за показаниями вольтметра. Как только они перестали расти при увеличении напряжения блока питания снимаем показания вольтметра. Если напряжение перестало расти при значениях около 1В, значит перепутан анод и катод стабилитрона. Нужно их поменять местами и повторить процедуру. Значение напряжения, при котором прекратились увеличиваться показания вольтметра, и есть напряжение стабилизации. У двуханодных оно будет одинаковым при смене полярности подключения. У стабилитрона с диодом напряжение стабилизации при неправильном включении будет достаточно высоким, на практике выше напряжения блока питания. Теоретически оно будет равно обратному напряжению диода. Можно применять для проверки и нерегулируемый блок питания напряжением выше предполагаемого напряжения стабилизации стабилитрона. При подключении, как на схеме, измеренное напряжение на стабилитроне будет равно напряжению стабилизации стабилитрона. Если показания вольтметра равны напряжению блока питания, значит стабилитрон включен наоборот или имеет напряжение стабилизации выше напряжения блока питания.

1. В некоторых случаях очень важным параметром является температурный коэффициент напряжения стабилизации. Например, в автомобильном реле-регуляторе, которое управляет величиной напряжения в бортсети автомобиля. Если оно будет сильно изменяться в зависимости от температуры в моторном отсек, то выйдет из строя электрооборудование автомобиля. Следующий наглядный пример. В телевизорах и радиоприемниках в блоке формирования напряжения настройки на частоту принимаемого сигнала также недопустима зависимость напряжения от температуры, иначе сигнал будет плавать и пропадать. Именно поэтому в реле-регуляторах применяют стабилитроны типа Д818Е, а в блоках настройки телевизоров КС531. У первых температурный коэффициент составляет +0,001 %/град, у вторых ±0,005%/град. В то время, как у других, например, КС182 о которых упоминалось в начале статьи, температурный коэффициент составляет около 0,1 %/град. Это почти в 100 раз хуже. как правило, стабилитроны с хорошим температурным коэффициентом содержат внутренний диод, катод которого соединен с катодом стабилитрона. Температурный коэффициент этого диода имеет знак противоположный температурному коэффициенту самого стабилитрона. Таким образом достигается высокая температурная стабильность напряжения стабилизации.

Пока проверяемый стабилитрон подключен для проверки напряжения стабилизации по схеме п.2 этой статьи, можно его выводы подогреть паяльником, немного, градусов до 60-70 и понаблюдать за изменением напряжения на вольтметре. Разница между термостабильным стабилитроном и обычным будет очень заметна.

1. То, что основное назначение стабилитрона поддерживать постоянное напряжение на нагрузке при изменении входного напряжения и тока нагрузки уже понятно. Но тут есть особенность. Для эффективного выполнения этих задач, мощность нагрузки реально не должна превышать 30% от мощности, рассеиваемой на балластном резисторе и стабилитроне. Об этом уже было сказано в начале статьи. Для увеличения КПД и тока в нагрузке применяют транзисторы. Наиболее простая схема:

Если ток стабилитрона 10мА, а коэффициент усиления транзистора по току 100 раз, то ток в нагрузке будет 10х100=1000мА. Установив параллельно стабилитрону переменный резистор можно напряжение стабилизации в нагрузке изменять от нуля почти до максимального значения напряжения стабилизации стабилитрона.

1. Чем можно заменить стабилитрон или изменить напряжение стабилизации?

Обычный кремниевый диод включенный в прямом направлении может выполнять функции стабилитрона напряжением около 0,7 В. Для увеличения напряжения диоды можно включать последовательно с такими же диодами или стабилитроном, напряжение которого нужно немного увеличить. Германиевый диод, при прямом включении, стабилизирует напряжение около 0,5 В, светодиод, в зависимости от типа 2…3,2 В.

Примеры показаны ниже на фото:

Кремниевые транзисторы в диодном включении также могут выполнять функции стабилитрона напряжением 5…6 В. Причем можно использовать последовательное подключение транзистора с диодами, нескольких транзисторов, как показано ниже:

Если есть маломощный стабилитрон на нужное напряжение, а нужен более мощный, то можно использовать такую аналогию ( где VD1 маломощный стабилитрон):

R2 – балластный резистор. Напряжение стабилизации схемы равно напряжению стабилизации стабилитрона плюс напряжение б-э транзистора (0,7В у кремниевых и 0,5В у германиевых). Максимальный ток стабилизации схемы равен току стабилитрона, умноженному на коэффициент усиления транзистора по току (h₂₁). Используя такие схемы нельзя допускать превышения значений параметров применяемых элементов.

Если нужны высоковольтные стабилитроны на напряжения 120…180В (КС620А, КС630А, КС650А, КС680А), то можно использовать такие схемы:

Как источник стабильного тока используют германиевые диоды Д220, Д220А, Д219А которые имеют низкое дифференциальное сопротивление при обратном включении и обратном токе 0,1…10 мА. Понятно, что напряжение применяемого транзистора должно быть выше 180 В.

Материал статьи продублирован на видео:

Правила параллельного и последовательного подключения источников
питания