Регулятор напряжения своими руками: простые самодельные схемы для повторения

Содержание

Список деталей для конструкции БП

Операционный усилитель LM358
Стабилизатор 7812
Mosfet IRF4905
Потенциометры
Измеритель LED I, U
Вольтметр цифровой
Импульсный преобразователь LM2596

Радиаторы, силовой трансформатор и мелкие пассивные элементы есть у каждого, поэтому стоимость будет однозначно ниже готового БП. Вот так выглядит готовая конструкция — передняя и задняя панели выполнены из алюминиевого листа толщиной 2 мм. Фронт был выгравирован на специальном оборудовании.

Преимуществами конструкции являются малая цена исполнения, простота схемы, надежность. Недостатками небольшой максимальный ток, не самая лучшая стабилизация напряжения. Скорость срабатывания ограничителя тока не проверялась, но как правило этого достаточно в радиоделе.

Модели переменного тока

Регулятор переменного тока отличается тем, что тиристоры в нем применяются только триодного типа. В свою очередь, транзисторы стандартно используются полевого вида. Конденсаторы в цепи применяются только для стабилизации. Встретить высокочастотные фильтры в устройствах данного типа можно, но редко. Проблемы с высокой температурой в моделях решаются за счет импульсного преобразователя. Устанавливается он в системе за модулятором. Низкочастотные фильтры используются в регуляторах с мощностью до 5 В. Управление по катоду в устройстве осуществляется за счет подавления входного напряжения.

Стабилизация тока в сети происходит плавно. Для того чтобы справляться с высокими нагрузками, в некоторых случаях применяются стабилитроны обратного направления. Соединяются они транзисторами при помощи дросселя. В данном случае регулятор тока должен быть способным выдерживать максимум нагрузкуи в 7 А. При этом уровень предельного сопротивления в системе обязан не превышать 9 Ом. В этом случае можно надеяться на быстрый процесс преобразования.

Принцип работы импульсных преобразователей

Принцип работы импульсного стабилизатора

Главный принцип работы заключается в том, что при замыкании регулирующего элемента электроэнергия накапливается в интегрирующем элементе. Это накопление наблюдается повышением напряжения. После того, когда регулирующий элемент отключается, т.е. размыкает линию подачи электричества, интегрирующий компонент отдает электричество, постепенно снижая величину напряжения. Благодаря такому способу работы импульсное стабилизационное устройство не тратит большого количества энергии и может иметь небольшие габариты.

Регулирующий элемент может представлять собой тиристор, биполярный транзитор или полевой транзистор. В качестве интегрирующих элементов могут использоваться дроссели, аккумуляторы или конденсаторы.

Заметим, что импульсные стабилизационные устройства могут работать двумя различными способами. Первый предполагает использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Второй — триггера Шмитта. Как ШИМ, так и триггер Шмитта используются для управления ключами стабилизационного устройства.

Как сделать стабилизатор тока для светодиодов самостоятельно

Изготовление стабилизатора для светодиодов своими руками осуществляется несколькими способами. Новичку целесообразно работать с простыми схемами.

На основе драйверов

Понадобится выбрать микросхему, которую трудно выжечь – LM317. Она будет выполнять роль стабилизатора. Второй элемент – переменный резистор с сопротивлением в 0,5 кОм с тремя выводами и ручкой регулировки.

Сборка осуществляется по следующему алгоритму:

Припаять проводники к среднему и крайнему выводу резистора.
Перевести мультиметр в режим сопротивления.
Замерить параметры резистора – они должны равняться 500 Ом.
Проверить соединения на целостность и собрать цепь.

На выходе получится модуль с мощностью 1,5 А. Для увеличения тока до 10 А можно добавить полевик.

Стабилизатор для автомобильной подсветки

Стабилизатор L7812

Для работы потребуется линейный прибор в виде микросхемы L7812, две клеммы, конденсатор 100n (1-2 шт.), текстолитовый материал и трубка с термоусадкой. Изготовление производится пошагово:

Выбор схемы под L7805 из даташита.
Вырезать из текстолита нужный по размеру кусок.
Наметить дорожки, делая насечки отверткой.
Припаять элементы так, чтобы вход был слева, а выход – справа.
Сделать корпус из термотрубки.

Стабилизирующее устройство выдерживает до 1,5 А нагрузки, монтируется на радиатор.

Стабилизаторы тока

Простейший ограничитель тока – резистор. Его часто называют простейшим стабилизатором, что неверно, так как резистор не способен стабилизировать ток при колебании напряжения на своем входе.

Применение резистора в схеме питании светодиода допустимо только при стабилизированном входном напряжении. В противном случае все скачки напряжения передаются в нагрузку и негативно отражаются на работе светодиода. Эффективность резистивных ограничителей тока очень низкая, так как вся потребляемая ими энергия рассеивается в виде тепла.

Немного выше КПД у конструкций на базе готовых интегральных микросхем (ИМ) линейных стабилизаторов. Схемы линейных стабилизаторов на базе ИМ выделяющиеся минимальным набором элементов, отсутствием помех и простой настройкой.

Чтобы избежать перегрева регулирующего элемента, разность входного и выходного напряжения должна быть небольшой, но достаточной (3-5 вольт). Иначе корпус микросхемы вынужден будет рассеивать невостребованную энергию, тем самым снижая КПД.

Наиболее эффективными принято считать токовые драйверы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Их конструируют на базе специализированных микросхем с цепью обратной связи и элементами защиты, что в несколько раз повышает надёжность всего устройства. Наличие в них импульсного трансформатора ведет к удорожанию схемы, но оправдано высоким КПД и сроком службы. Токовые ШИМ стабилизаторы с питанием от источника 12В несложно сделать своими руками, используя специализированную микросхему. Например, ИМС PT4115 от компании PowTech, которая разработана специально для схем питания светодиодов мощностью от 1 до 10 Вт.

Простейший ключ

В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET,
то есть полевые транзисторы с изолированным
затвором
(они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются
исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше
порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через
транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное
преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё
время, пока открыт транзистор.

Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET
(даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные
транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её
«снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что транзистор
открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает
пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать
дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или
открыться не полностью.

Несмотря на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через
затвор не идёт, затвор образует с подложкой паразитный
конденсатор. Когда транзистор открывается или закрывается, этот
конденсатор заряжается или разряжается через вход ключевой схемы. И
если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё
потечёт довольно большой ток, который может вывести её из строя.

При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует,
фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен

где — напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы
ограничить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление
резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как
постоянная времени увеличится

Это важно, если транзистор
часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе

Основные параметры, на которые следует обращать внимание — это
пороговое напряжение , максимальный ток через сток и
сопротивление сток — исток у открытого транзистора. Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Модель
2N7000	3 В	200 мА	5 Ом
IRFZ44N	4 В	35 А	0,0175 Ом
IRF630	4 В	9 А	0,4 Ом
IRL2505	2 В	74 А	0,008 Ом

Для приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных
транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно
отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот
транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с
напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток — исток у приведённых моделей транзисторов
достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях
управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной
мощности в виде тепла.

Герой обзора:

Лот состоит из 10 микросхем в корпусе ТО-220. Стабилизаторы пришли в полиэтиленовом пакете, обмотанным вспененным полиэтиленом.

Тестирование: Подобные стабилизаторы выпускаются многими производителями, вот ссылка на руководство от Texas Instruments. Расположение ножек следующее:

1 — регулировка; 2 — выход; 3 — вход. Собираем простейший стабилизатор напряжения по схеме из руководства:

Результаты, прямо скажем так, не очень. Стабилизатором это назвать язык не поворачивается. Далее я нагрузил стабилизатор 25 Омным резистором и картина полностью преобразилась:

Далее я решил проверить зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, для чего задал входное напряжения 15В, подстроечным резистором выставил выходное напряжение около 5В, и выход нагрузил переменным 100 Омным проволочным резистором. Вот что получилось:

Ток более 0,8А получить не удалось, т.к. начало падать входное напряжение (БП слабый). В результате этого тестирования, стабилизатор с радиатором нагрелся до 65 градусов:

Для проверки работы стабилизатора тока, была собрана следующая схема:

Стабилизация по току тоже хорошая. Ну и как обзор может быть без сжигания героя? Для этого я собрал снова стабилизатор напряжения, на вход подал 15В, выход настроил на 5В, т.е. на стабилизаторе упало 10В, и нагрузил на 0,8А, т.е. на стабилизаторе выделялось 8Вт мощности. Радиатор убрал. Результат продемонстрировал на следующем видео: Да, защита от перегрева тоже работает, сжечь стабилизатор не удалось.

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений I_ст.max и P_max стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки R_H. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_CT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (U_EB) и коллекторного тока I_K, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = U_CT). Поскольку ток I_СТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h_21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки I_Н.

Коэффициент стабилизации будет равен

где R_VT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где R_e и R_b – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление R_e существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление R_e быстро возрастает и это приводит к увеличению R_VT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение R_e можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки R_H. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_ST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора I_B и ток стабилизации связаны между собой соотношением I_B + I_ST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где R_k – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Обычно k_ST ≈ 15…20.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Назначение и принцип работы

С помощью регуляторов напряжения можно изменять не только яркость свечения ламп накаливания, но и скорость вращение электромоторов, температуру жала паяльника и так далее. Нередко эти устройства называют регуляторами мощности, что не совсем правильно. Устройства, предназначенные для регулирования мощности, основаны на ШИМ (широтно-импульсная модуляция) схемах.

Это позволяет получить на выходе различную частоту следования импульсов, амплитуда которых остается неизменной. Однако если параллельно нагрузке в такую схему включить вольтметр, то напряжение также будет изменяться. Дело в том, что прибор просто не успевает точно измерять амплитуду импульсов.

Следует заметить, что регуляторы напряжения будут максимально эффективны при работе с резистивной нагрузкой, например, лампами накаливания. А вот использовать их для подключения к индуктивной нагрузке нецелесообразно. Дело в том, что показатель индуктивного электротока значительно ниже в сравнении с резистивным.

Собрать самодельный диммер довольно просто. Для этого потребуются начальные знания в области электроники и несколько деталей.

На основе симистора

Такой прибор работает по принципу фазового смещения открывания ключа. Ниже представлена простейшая схема диммера на основе симистора:

Структурно прибор можно разделить на два блока:

Силовой ключ, в роли которого используется симистор.
Узел создания управляющих импульсов на основе симметричного динистора.

С помощью резисторов R1-R2 создан делитель напряжения

Следует обратить внимание, что сопротивление R1 – переменное. Это позволяет менять напряжение в линии R2-C1. Между этими элементами включен динистор DB3

Как только показатель напряжения на конденсаторе C1 достигает значения порога открытия динистора, на ключ (симистор VS1) подается управляющий импульс

Между этими элементами включен динистор DB3. Как только показатель напряжения на конденсаторе C1 достигает значения порога открытия динистора, на ключ (симистор VS1) подается управляющий импульс.

На базе тиристора

Эти проборы также достаточно эффективны, а их схемы не отличаются высокой сложностью. Роль ключа в таком устройстве выполняет тиристор. Если внимательно изучить схему прибора, то сразу можно заметить главное отличие этой схемы от предыдущей – для каждой полуволны используется собственный ключ с управляющим динистором.

Принцип работы тиристорного прибора следующий:

Когда через линию R5-R4-R3 проходит положительная полуволна, конденсатор C1 заряжается.
После достижения порога включения динистора V3 он срабатывает, и электроток поступает на ключ V1.
При прохождении отрицательной полуволны наблюдается аналогичная ситуация для линии R1-R2-R5, управляющего динистора V4 и ключа V2.

Также в быту используются конденсаторные регуляторы. Однако в отличие от полупроводниковых приборов, они не позволяют плавно изменять напряжение. Таким образом, для самостоятельного изготовления лучше всего подходят тиристорная и симисторная схемы.

Найти все необходимые для изготовления регулятора детали не составит труда. При этом их не обязательно покупать, а можно выпаять из старого телевизора или другой радиоаппаратуры. При желании на основе выбранной схемы можно сделать печатную плату, а затем впаять в нее все элементы. Также детали можно соединить обычными проводами. Домашний мастер может выбрать тот способ, который покажется ему наиболее привлекательным.

Оба рассмотренных устройства довольно легко собрать, и для выполнения всех работ не нужно обладать серьезными знаниями в области электроники. Даже начинающий радиолюбитель сможет изготовить своими руками схему регулятора напряжения 220в. При невысокой стоимости, они практически ни в чем не уступают заводским аналогам.

Пример расчёта простой схемы

Пусть, например, требуется включать и выключать светодиод с помощью
микроконтроллера. Тогда схема управления будет выглядеть следующим
образом.

Пусть напряжение питания равно 5 В.

Характеристики (рабочий ток и падение напряжения) типичных светодиодов
диаметром 5 мм можно приблизительно оценить по таблице.

Цвет
Красный	20 мА	1,9 В
Зеленый	20 мА	2,3 В
Желтый	20 мА	2,1 В
Синий (яркий)	75 мА	3,6 В
Белый (яркий)	75 мА	3,6 В

Пусть используется белый светодиод. В качестве транзисторного ключа
используем КТ315Г — он подходит по максимальному току (100 мА) и
напряжению (35 В). Будем считать, что его коэффициент передачи тока
равен (наименьшее значение).

Итак, если падение напряжения на диоде равно , а
напряжение насыщения транзистора то напряжение на
резисторе R2 будет равно . Для
рабочего тока светодиода получаем

Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд
E12.

Для тока управляющий ток должен быть в раз меньше:

Падение напряжения на переходе эмиттер — база примем равным .

Отсюда

Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по
току.

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Модели с плавным пуском

Для того чтобы сконструировать тиристорный регулятор тока с плавным пуском, нужно позаботиться о модуляторе. Наиболее популярными на сегодняшний день принято считать поворотные аналоги. Однако они между собой довольно сильно отличаются. В данном случае многое зависит от платы, которая применяется в устройстве.

Если говорить про модификации серии КУ, то они работают на самых простых регуляторах. Особой надежностью они не выделяются и определенные сбои все же дают. Иначе обстоят дела с регуляторами для трансформаторов. Там, как правило, применяются цифровые модификации. В результате уровень искажений сигнала значительно сокращается.

Работа стабилизаторов тока

Качественное питание всех электротехнических устройств можно гарантированно обеспечить лишь, используя стабилизатор тока. С его помощью компенсируются скачки и перепады в сети, увеличивается срок эксплуатации приборов и оборудования.

Основной функцией стабилизатора является автоматическая поддержка тока потребителя с точно заданными параметрами. Кроме скачков тока, удается компенсировать изменяющуюся мощность нагрузки и температуру окружающей среды. Например, с увеличением мощности, потребляемой оборудованием, произойдет соответствующее изменение потребляемого тока. В результате, произойдет падение напряжения на сопротивлении проводки и источника тока. То есть, с увеличением внутреннего сопротивления, будут более заметны изменения напряжения при увеличении токовой нагрузки.

В состав компенсационного стабилизатора тока с автоматической регулировкой входит цепь отрицательной обратной связи. Изменение соответствующих параметров регулирующего элемента позволяет достичь необходимой стабилизации. На элемент оказывает воздействие импульс обратной связи. Данное явление известно, как функция выходного тока. В зависимости от регулировок, стабилизаторы разделяются на непрерывные, импульсные и смешанные.

Среди множества стабилизаторов очень популярны стабилизаторы тока на полевых транзисторах. Подключение транзистора в данной схеме осуществляется последовательно сопротивлению нагрузки. Это приводит к незначительным изменениям тока нагрузки, в то время, как входное напряжение подвержено существенным изменениям.

Схема номер 1

Имелся стабилизированный импульсный блок питания, дающий на выходе напряжение 17 вольт и ток 500 миллиампер. Требовалось периодическое изменение напряжения в пределе 11 – 13 вольт. И общеизвестная схема регулятора напряжения на одном транзисторе с этим прекрасно справлялась. От себя добавил к ней только светодиод индикации да ограничительный резистор. К слову, светодиод здесь это не только «светлячок» сигнализирующий о наличии выходного напряжения. При правильно подобранном номинале ограничительного резистора, даже небольшое изменение выходного напряжения отражается на яркости свечения светодиода, что даёт дополнительную информацию о его повышении или понижении. Напряжение на выходе можно было изменять от 1,3 до 16 вольт.

КТ829 — мощный низкочастотный кремниевый составной транзистор, был установлен на мощный металлический радиатор и казалось, что при необходимости он вполне может выдержать и большую нагрузку, но случилось короткое замыкание в схеме потребителя и он сгорел. Транзистор отличается высоким коэффициентом усиления и применяется в усилителях низкой частоты – видно действительно его место там а не в регуляторах напряжения.

Слева снятые электронные компоненты, справа приготовленные им на замену. Разница по количеству в два наименования, а по качеству схем, бывшей и той, что решено было собрать, она несопоставима. Напрашивается вопрос – «Стоит ли собирать схему с ограниченными возможностями, когда существует более продвинутый вариант «за те же деньги», в прямом и переносном смысле этого изречения?»

Схема номер 2

В новой схеме также присутствует трёхвыводной эл. компонент (но это уже не транзистор) постоянный и переменный резисторы, светодиод со своим ограничителем. Добавлено только два электролитических конденсатора. Обычно на типовых схемах указаны минимальные значения C1 и C2 (С1=0,1 мкФ и С2=1 мкФ) которые необходимы для устойчивой работы стабилизатора. На практике значения емкостей составляют от десятков до сотен микрофарад. Ёмкости должны располагаться как можно ближе к микросхеме. При больших емкостях обязательно условие C1>>C2. Если ёмкость конденсатора на выходе будет превышать ёмкость конденсатора на входе, то возникает ситуация при которой выходное напряжение превышает входное, что приводит к порче микросхемы стабилизатора. Для её исключения устанавливают защитный диод VD1.

У этой схемы уже совсем другие возможности. Входное напряжение от 5 до 40 вольт, выходное 1,2 — 37 вольт. Да, имеется падение напряжения вход — выход равное примерно 3,5 вольтам, однако роз без шипов не бывает. Зато микросхема КР142ЕН12А именуемая линейным регулируемым стабилизатором напряжения имеет неплохую защиту по превышению тока нагрузки и кратковременную защиту от короткого замыкания на выходе. Её рабочая температура до + 70 градусов по Цельсию, работает с внешним делителем напряжения. Выходной ток нагрузки до 1 А при длительной работе и 1,5 А при непродолжительной. Максимально допустимая мощность при работе без теплоотвода 1 Вт, если микросхему установить на радиатор достаточного размера (100 см.кв.) то Р макс. = 10 Вт.

Как сделать простой регулятор напряжения своими руками