Ограничитель напряжения питания


Многие устройства не требуют напряжения строго определенного значения. Обычно достаточно, чтобы оно не превышало определенного уровня, а если он ниже, ничего страшного не произойдет. Но некоторые микросхемы могут выйти из строя, когда входное напряжение станет слишком низким. Это простое устройство как раз может помочь в таких ситуациях.

Параметры: ограничение выходного напряжения до заданного значения, плавная регулировка максимального значения выходного напряжения в диапазоне 2,5 – 27,5 В, минимальное входное напряжение 8 В, максимальное входное напряжение 30 В.

Примером использования схемы выступает подключение относительно чувствительного устройства, например маршрутизатора, питаемого номинальным напряжением 12 В, к автомобильной сети. Как известно, напряжение в авто может достигать 15 В, а это может привести к выходу устройства из строя. Использование обычного стабилизатора возможно лишь при полном заряде батареи, чтобы гарантировать правильное падение напряжения на стабилизаторе. Но ничего не произойдет, если напряжение упадет, например, до 11 В, потому что производитель устройства обязательно учел допуск «вниз», связанный с разбросом параметров подключаемых блоков питания.

Принципиальная схема

Представленная схема это по-сути стабилизатор LDO (с низким падением напряжения), но она предназначена для правильной работы даже при входном напряжении ниже, чем заданное с помощью потенциометра. Единственным ограничением минимального входного напряжения является его способность правильно открывать полевой МОП-транзистор.

Ограничитель напряжения питания

Принципиальная схема показана на рисунке. Исполнительным элементом, через который протекает ток, питающий потребитель, является транзистор T2 типа MOSFET-P. Он не используется в качестве повторителя, как это обычно бывает с линейными стабилизаторами, тут нагрузка подключается между его стоком и массой. Таким образом, это обычная конфигурация истока, отличающаяся тем что она инвертирована по фазе. Но есть существенное преимущество: потенциал затвора, то есть управляющего электрода, должен быть ниже потенциала источника, то есть входного напряжения. Следовательно, чтобы полностью открыть канал транзистора, не нужно более высокое напряжение, чем напряжение питания – достаточно замкнуть затвор на землю. Увеличивая потенциал затвора можно ограничить ток протекающий через транзистор и тем самым снизить выходное напряжение.

Когда транзистор T1 закрыт, ток не течет через его коллектор, поэтому затвор T2 смещен на 0 В, и он может быть сильно открыт. Взяв небольшой ток с базы T1, потенциал затвора T2 может быть увеличен из-за того, что T1 «добавляет» ток к резистору R2. Роль R1 состоит в том, чтобы держать T1 закрытым когда в нем нет необходимости. Максимальное напряжение затвор-исток, используемое в прототипе транзистора T2, составляет 20 В. Диод D1 предотвращает пробой изоляции промежуточного затвора транзистора, ограничивая напряжение затвор-исток до –15 В. Этого достаточно для полного открытия транзистора, при этом оставляя определенный запас надежности.

Полезное:  Беспроводной датчик влажности почвы

Компаратор LM311 отвечает за управление базой T1. Но он использовался как линейный элемент: его входная дифференциальная цепь создает усилитель ошибки, а выходной NPN-транзистор «всасывает» ток коллектора из базы T1. Таким образом, LM311 рассматривался как дифференциальная схема с источниками тока, готовыми к ее поляризации, что делает всю схему ограничителя проще, чем создание такой схемы с нуля на дискретных транзисторах.

Микросхема US1 получает две входные величины. Одна из них – это выходное напряжение деленное на резистивный делитель R4, P1. Вторая – опорное напряжение 2,5 В, которое обеспечивает источник TL431. Резисторы R5 и R6 обеспечивают его правильную полярность во всем допустимом диапазоне питающего напряжения. Их параллельное соединение имеет смысл при высоком напряжении, чтобы не превысить максимальную мощность, потерянную на одном элементе. При этом их результирующее сопротивление было выбрано так, чтобы источник опорного напряжения US2 работал исправно во всем допустимом диапазоне входных напряжений.

Конденсатор C1 подключается рядом с выводами питания микросхемы US1, чтобы предотвратить возбуждение и отфильтровать источник питания от помех.

Монтаж и наладка

Схема собрана на небольшой двусторонней печатной плате размером 40 х 25 мм. Монтажные отверстия расположены в 3 мм от края платы.

Ограничитель напряжения питания

Монтаж следует начинать с элементов на верхней стороне платы. С той же стороны припаиваются и сквозные компоненты. Значения всех элементов не критичны, рекомендуем поэкспериментировать.

Правильно собранная схема требует добавления фильтрующих конденсаторов, которые обеспечат правильную работу контура отрицательной обратной связи и предотвратят возбуждение. Они не вошли в конструкцию печатной платы, чтобы без надобности не увеличивать ее размеры. Их можно добавить в схему, вкрутив их выводы непосредственно в клеммы разъемов J1 и J2, как показано на рисунке.

Ограничитель напряжения питания

Они также могут быть расположены на небольшом расстоянии от платы, если соединение между ними и платой с помощью толстых проводов. Только после этого можно подключить схему к источнику питания и установить потенциометр P1 на правильное значение максимального выходного напряжения. Емкость этих конденсаторов не критична. В схеме прототипа конденсаторы емкостью 2200 мкФ на напряжение 35 В. На транзисторе T2 будет выделяться тепло. Это следует учитывать и при необходимости добавить подходящий радиатор.

Ограничитель напряжения питания

Минимальное напряжение питания составляет около 8 В, так как это значение, при котором T2 может полностью открыться. Максимальное значение этого напряжения определяет чип LM311 и оно составляет 30 В.


НАЖМИТЕ ТУТ И ОТКРОЙТЕ КОММЕНТАРИИ