Глава 6. Источники питания и стабилизаторы

6.7. Практикум: разбираем схемы

Тринадцать рабочих узлов питания — от USB и зарядки лития до автомобиля и усилителя — и девять схем с типичными ошибками; каждая как задача с разбором.

≈ 31 мин чтения · пунктирное подчёркивание — наведите или нажмите, чтобы увидеть пояснение

6.7.1Рабочие схемы: читаем и проверяем

≈ 23 мин17 упр.

Главное

Тринадцать проверенных узлов питания из повседневной практики: USB, зарядка аккумуляторов, автомобиль, аудио, микроконтроллеры.
Почти в каждой схеме есть «главный» элемент, который что-то держит постоянным — 1,25 В у 317, 2,5 В у TL431, падение на датчике тока; остальное — обвязка вокруг него.
Сначала разберитесь сами, потом открывайте решение: умение читать чужую схему — половина умения проектировать свою.

В этом пункте собраны схемы, которые встречаются в реальных устройствах: в зарядках, макетных платах, автомобильной электронике, усилителях. Все они используют идеи раздела — линейные и импульсные стабилизаторы, опорные источники, источники тока, защиты, — но каждая решает конкретную бытовую задачу. Читайте их как задачи: сначала попробуйте сами понять, как работает схема и где в ней тонкое место, и только потом открывайте разбор.

Порядок разбора незнакомой схемы питания

Найдите силовой путьпо каким деталям ток идёт от входа к нагрузке и где выделяется тепло
Найдите, что поддерживается постояннымнапряжение «Вых» — «Рег», опорное 2,5 В, падение на датчике тока, порог транзистора
Проследите обратную связькуда подключены «Рег», управляющий вывод, база — и какой знак у петли
Спросите «а что, если…»вход пропал, выход замкнули, перепутали полярность, батарея разряжена
Посчитайтетоки, напряжения, мощности и запасы до предельных значений

1. Питание микроконтроллера от USB

Самая частая задача любительской электроники: от разъёма USB (5 В) питать микроконтроллер на 3,3 В. Обычный диод от переполюсовки съел бы 0,3–0,7 В, а запас у LDO и так невелик. Здесь вместо диода стоит p-канальный МОП-транзистор.

12345

Питание микроконтроллера от USB: p-МОП T₁ на входе защищает от обратной полярности почти без потерь, LDO делает 3,3 В

Что здесь что (5)

T_1 — p-МОП. сток к разъёму, исток к схеме; затвор через 100 кОм на земле
100 кОм. держит затвор у земли; при перепутанной полярности затвор оказывается выше истока, и транзистор заперт
LDO 3,3 В. стабилизатор с малым перепадом: работает уже при 3,6 В на входе
1 мкФ. входная керамика у самого LDO
10 мкФ. выходной конденсатор: емкость и ЭПС — по документации LDO

Упражнение 6.7.1 вывод

Объясните, почему p-МОП-транзистор в схеме выше защищает от обратной полярности и почему он «не мешает» при правильной. Через какой путь схема получает питание в самый первый момент?

Решение

При правильной полярности в первый момент ток идёт через внутренний диод транзистора (анод — сток, катод — исток): исток поднимается почти до 5 В, а затвор через 100 кОм остаётся у земли. Напряжение затвор — исток около −4,5 В, и канал открывается полностью; дальше ток идёт по каналу с сопротивлением в десятки миллиом, и падение составляет единицы милливольт вместо 0,3–0,7 В на диоде. При обратной полярности на стоке минус, внутренний диод заперт, а затвор (через резистор на «земле», теперь это плюс) оказывается выше истока — канал закрыт, ток не течёт. Важно выбрать транзистор с допустимым напряжением затвор — исток больше входного (для 5 В подходит почти любой; при 12–24 В между затвором и истоком ставят стабилитрон).

Упражнение 6.7.2

Микроконтроллер с радиомодулем берёт до 250 мА. На LDO в корпусе SOT-223 тепловое сопротивление кристалл — воздух около 60 °C/Вт. Сколько тепла выделяется на LDO и насколько кристалл нагреется над воздухом? Какой запас по напряжению останется, если USB просядет до 4,75 В, а транзистор имеет 50 мОм?

P =ВтΔT =°Cзапас =В

Решение

$P = (5 - 3, 3) \cdot 0, 25 = 0, 425$ Вт (падение на транзисторе ничтожно); перегрев $0, 425 \cdot 60 \approx 25, 5$ °C — вполне терпимо. При 4,75 В на входе за транзистором $4, 75 - 0, 25 \cdot 0, 05 = 4, 74$ В, запас над выходом $4, 74 - 3, 3 \approx 1, 44$ В — много больше перепада LDO (≈ 0,3 В). Если бы стоял обычный диод (0,7 В), запас упал бы до 0,75 В — ещё работает, но при дешёвом кабеле с просадкой до 4,4 В уже впритык.

2. Зарядка литиевого аккумулятора на 317

Литиевый аккумулятор заряжают в два этапа: сначала постоянным током, а когда напряжение дойдёт до 4,2 В — постоянным напряжением, пока ток не упадёт почти до нуля. Схема ниже делает это на одном 317 и одном транзисторе.

123456

Зарядка литиевого аккумулятора на 317: сначала постоянный ток (его ограничивает T₁ по падению на R_s), потом постоянное напряжение 4,2 В

Что здесь что (6)

317. держит 1,25 В между «Вых» и «Рег»
R_1 = 240 Ом. верхнее плечо делителя — подключено прямо к выходу 317
R_2 = 560 Ом*. подбирается так, чтобы при нулевом токе выход был 4,20 В
R_s = 1,2 Ом. датчик тока заряда
T_1. открывается при 0,6 В на $R_{s}$ и тянет «Рег» вниз — ограничивает ток
Аккумулятор. одна литиевая банка 3,7 В

Упражнение 6.7.3 задача

Опишите, что происходит в схеме зарядки от момента подключения разряженного аккумулятора (3,0 В) до окончания заряда. Почему ток заряда сам плавно спадает в конце?

Решение

Этап постоянного тока. Разряженный аккумулятор «хочет» взять большой ток. Как только падение на $R_{s}$ дорастает до ≈ 0,6 В, открывается $T_{1}$ и отбирает ток из узла «Рег»: напряжение «Рег» опускается, а с ним и выход 317. Устанавливается равновесие, при котором ток держится на уровне $0, 6/ R_{s}$ , — это источник тока.

Этап постоянного напряжения. По мере заряда напряжение аккумулятора растёт, ток уменьшается, падение на $R_{s}$ становится меньше 0,6 В, и $T_{1}$ запирается. Теперь работает обычный делитель: выход 317 держится на 4,20 В. Ток через $R_{s}$ создаёт падение $I R_{s}$ , поэтому на самом аккумуляторе $4, 20 - I R_{s}$ ; по мере того как ток падает, напряжение на банке подтягивается к 4,20 В, а ток плавно стремится к нулю. Заряд считают законченным, когда ток упал до 5–10% от начального. Резистор $R_{2}$ подбирают точно: перезаряд лития даже на 0,1 В заметно сокращает его жизнь. Схема учебная — у неё нет контроля температуры и отключения по окончании заряда, которые есть в специализированных микросхемах зарядки.

Упражнение 6.7.4

Найдите ток заряда на первом этапе и сопротивление $R_{2}$ (при $R_{1}$ = 240 Ом) для 4,20 В на выходе 317. Какая мощность выделяется на 317 в начале заряда, если вход 9 В, а аккумулятор разряжен до 3,0 В?

I =АR2 =ОмP =Вт

Решение

$I = 0, 6/1, 2 = 0, 5$ А. $R_{2} = 240 (4, 2/1, 25 - 1) = 566$ Ом — ставят 560 Ом и подстроечник или подбирают по вольтметру. На 317 в начале заряда остаётся всё, кроме напряжения аккумулятора и падения на $R_{s}$ : $(9 - 3, 0 - 0, 6) \cdot 0, 5 = 2, 7$ Вт — нужен радиатор. Отсюда практический совет: не брать вход выше необходимого (≈ 4,2 + 0,6 + 2 ≈ 7 В с запасом).

3. Плавное включение

Некоторые нагрузки не любят резкого включения: лампы накаливания, большие конденсаторы, двигатели, некоторые аналоговые схемы. Добавив к 317 три детали, можно заставить выход нарастать за доли секунды.

Плавное включение: пока конденсатор 22 мкФ не зарядился, p-n-p T₁ держит «Рег» внизу, и выход нарастает постепенно

Упражнение 6.7.5 вывод

Объясните, как работает плавный пуск в схеме выше. Почему в установившемся режиме транзистор $T_{1}$ не влияет на выход и что произойдёт при повторном быстром включении, если конденсатор не успел разрядиться?

Решение

В момент включения конденсатор 22 мкФ разряжен, база $T_{1}$ на земле. Эмиттер p-n-p не может подняться выше базы больше чем на ≈ 0,6 В, поэтому «Рег» прижат к 0,6 В, а выход — к $0, 6 + 1, 25 \approx 1, 9$ В. Конденсатор заряжается через 47 кОм от выхода, база ползёт вверх, за ней «Рег» и выход — выход нарастает плавно с постоянной времени порядка $47 кОм \cdot 22 мкФ \approx 1$ с. Когда напряжение базы превысит то, что делитель $R_{1}$ , $R_{2}$ задаёт на «Рег», $T_{1}$ запирается и больше не участвует: выход определяется только делителем, $1, 25 (1 + 2100/240) \approx 12, 2$ В. При быстром повторном включении конденсатор ещё заряжен, и плавного пуска не будет; поэтому параллельно 47 кОм часто ставят диод, который быстро разряжает конденсатор в выход при выключении.

4. Двуполярное питание от адаптера с одной обмоткой

Для самодельного предусилителя на ОУ нужно ±12 В, а под рукой — адаптер переменного тока 12 В (просто трансформатор в корпусе вилки) с единственной обмоткой. Средней точки нет, но выручают два однополупериодных выпрямителя, включённых навстречу.

12345

±12 В от адаптера переменного тока с одной обмоткой: Д₁ заряжает плюсовой конденсатор в положительные полупериоды, Д₂ — минусовой в отрицательные

Что здесь что (5)

Адаптер ~12 В. одна обмотка, второй её вывод — общий провод
Д_1. пропускает положительные полуволны — заряжает плюсовой конденсатор
Д_2. пропускает отрицательные полуволны — заряжает минусовой конденсатор
7812. положительный стабилизатор
7912. отрицательный стабилизатор: ему нужен отрицательный вход

Упражнение 6.7.6

Предусилитель берёт от каждой шины по 100 мА. Найдите пиковое напряжение на каждом конденсаторе 2200 мкФ (прямое падение диода 0,7 В), размах пульсаций (подзаряд — один раз за период 50 Гц) и напряжение в нижней точке пульсаций. Хватит ли его стабилизаторам с перепадом 2 В?

Uпик =ВΔU =ВUмин =В

Решение

$U_{пик} = 122 - 0, 7 \approx 16, 3$ В. Однополупериодный выпрямитель подзаряжает конденсатор раз в 20 мс, поэтому $Δ U = I / (f C) = 0, 1/ (50 \cdot 2200 \cdot 1 0^{- 6}) \approx 0, 91$ В — вдвое больше, чем у двухполупериодного. Нижняя точка $16, 3 - 0, 9 \approx 15, 4$ В, а стабилизатору нужно $12 + 2 = 14$ В — запас 1,4 В. Если сеть просядет на 10%, пик станет ≈ 14,6 В и стабилизация на минимуме пульсаций пропадёт; поэтому лучше взять адаптер на 15 В или конденсаторы побольше. Недостаток схемы — однополупериодный ток через обмотку, но при десятках миллиампер это неважно.

5. Светодиодная фара на 317

Мощный светодиод нужно питать током, а не напряжением: при постоянном напряжении ток сильно зависит от температуры кристалла и экземпляра. В автомобиле к тому же напряжение бортсети гуляет от 12 до 14,4 В (и выше).

1234

Светодиодная фара на 317: ток задаёт резистор между «Вых» и «Рег», диод Шоттки защищает от переполюсовки

Что здесь что (4)

1N5819. диод Шоттки от переполюсовки: падение всего ≈ 0,4 В
317. держит 1,25 В на R — ток не зависит от напряжения бортсети
R = 3,6 Ом. $I = 1, 25/3, 6 \approx 350$ мА
Светодиод 1 Вт. прямое напряжение ≈ 3,2 В при 350 мА

Упражнение 6.7.7

Найдите сопротивление $R$ для тока 350 мА, мощность на нём и мощность на 317 при 14,4 В (светодиод 3,2 В, диод Шоттки 0,4 В). При каком наименьшем напряжении бортсети ток ещё стабилизируется (перепад 317 — 2 В)?

R =ОмP(R) =ВтP(317) =ВтUмин =В

Решение

$R = 1, 25/0, 35 = 3, 57$ Ом (берут 3,6 Ом), на нём $1, 25 \cdot 0, 35 \approx 0, 44$ Вт — резистор на 1 Вт. На 317 остаётся $(14, 4 - 0, 4 - 3, 2 - 1, 25) \cdot 0, 35 \approx 3, 3$ Вт — больше, чем на самом светодиоде! КПД линейного драйвера здесь около 25%. Ток держится, пока вход не ниже $0, 4 + 3, 2 + 1, 25 + 2 = 6, 85$ В. Для нескольких светодиодов или ради КПД берут импульсный драйвер, а линейный оставляют там, где светодиод один и важна простота.

6. «Ломик» на шине 12 В

Шина 12 В в 3D-принтере или станке питает дорогую электронику. Если преобразователь 24 → 12 В откажет так, что его ключ пробьётся, на шину придут все 24 В. Простая тиристорная защита не даст этому случиться.

12345

«Ломик» на шине 12 В: при перенапряжении тиристор закорачивает шину, и сгорает предохранитель на входе преобразователя

Что здесь что (5)

Предохранитель 3 А. стоит на входе преобразователя — перегорает при срабатывании защиты
DC-DC 24 → 12 В. возможный источник аварии: пробитый ключ
Стабилитрон 15 В. начинает проводить, когда шина превышает ≈ 15 В
100 Ом. делает порог чётким и не даёт тиристору срабатывать от утечки стабилитрона
Тиристор. закорачивает шину и остаётся открытым, пока есть ток

Упражнение 6.7.8 задача

Опишите, что произойдёт в схеме при пробое ключа преобразователя. Почему предохранитель стоит именно на входе, а не между преобразователем и нагрузкой? Почему «ломик» может оказаться бесполезен, если преобразователь исправен, но у него просто «уплыла» обратная связь?

Решение

При пробое ключа шина поднимается к 24 В. Как только она превысит ≈ 15 В плюс порог управляющего электрода, ток через стабилитрон и резистор 100 Ом откроет тиристор. Тиристор закорачивает шину и остаётся открытым (защёлкивается). Ток короткого замыкания идёт от входа 24 В через пробитый ключ и тиристор — и сжигает предохранитель на входе. Нагрузка обесточена и цела.

Главное — чтобы сгоревший предохранитель отрезал от нагрузки источник энергии аварии. Поэтому он стоит на входе (в крайнем случае — между преобразователем и «ломиком»). Если же поставить его после тиристора, ток аварии через предохранитель не пойдёт: тиристору придётся держать короткое замыкание, пока не сгорит он сам или преобразователь, — и тогда опасное напряжение вернётся на нагрузку.

Второй случай коварнее: исправный импульсный преобразователь ограничивает свой выходной ток. Когда тиристор закоротит шину, преобразователь уйдёт в ограничение тока, предохранитель на 3 А не сгорит, а тиристор будет греться током ограничения. Поэтому тиристор выбирают с запасом по току, а у многих контроллеров есть вход «аварийное отключение», который ставят в пару к «ломику».

7. Сброс микроконтроллера по питанию

При медленно нарастающем или «дребезжащем» питании микроконтроллер может стартовать в неопределённом состоянии и, например, испортить содержимое EEPROM. Супервизор держит его в сбросе, пока питание не установится. Готовые супервизоры стоят копейки, но полезно понять, как собрать такой узел из TL431 и транзистора.

Сброс микроконтроллера по питанию: TL431 сравнивает долю +5 В с 2,5 В; пока питание ниже порога, транзистор заперт и вход RESET прижат к земле

Упражнение 6.7.9

Найдите порог, при котором схема выше отпускает RESET (опорное TL431 — 2,50 В). Какова постоянная времени задержки, которую создаёт конденсатор 1 мкФ вместе с делителем?

Uпорог =Вτ =мс

Решение

TL431 начинает проводить, когда на его управляющем входе 2,5 В: $U = 2, 5 (1 + 8, 2/10) = 4, 55$ В. Тогда ток катода через 2,2 кОм открывает p-n-p, и RESET поднимается к +5 В — микроконтроллер стартует. Конденсатор заряжается от источника с эквивалентным сопротивлением $R_{1} ∥ R_{2} = 8, 2 \cdot 10/18, 2 \approx 4, 5$ кОм: $τ \approx 4, 5$ мс. Значит, сброс отпускается не сразу после достижения порога, а с небольшой задержкой, — питание успевает установиться. Тот же конденсатор задерживает и реакцию на провал, поэтому слишком большим его не делают.

Упражнение 6.7.10 вывод

Почему в схеме сброса не обойтись простой RC-цепочкой от +5 В на вход RESET? В каком случае она подведёт?

Решение

RC-цепочка задерживает сброс только при «чистом» быстром включении. Если питание нарастает медленно (за время, сравнимое с RC), конденсатор успевает зарядиться вслед за ним, и сброс отпускается при недостаточном напряжении. Ещё хуже кратковременный провал: питание упало до 3 В и вернулось, а конденсатор не успел разрядиться — сброса не было, процессор мог «сойти с ума». Схема с пороговым элементом (TL431 или готовым супервизором) реагирует на уровень напряжения, а не на время, и держит сброс всё время, пока питание ниже порога.

8. Опорное напряжение для АЦП Arduino

По умолчанию АЦП Arduino меряет относительно своего питания 5 В, а оно от USB гуляет на несколько процентов. Если подать на вход AREF стабильное 2,5 В от TL431, измерения станут и точнее, и чувствительнее.

Опорное 2,5 В для АЦП Arduino из TL431: управляющий вывод соединён с катодом, микросхема ведёт себя как точный стабилитрон

Упражнение 6.7.11

TL431 нужен ток катода не меньше 1 мА; вход AREF и конденсатор берут ничтожный ток. Выберите резистор так, чтобы через TL431 шло около 2 мА. Какой станет цена младшего разряда 10-битного АЦП?

R =кОмЕМР =мВ

Решение

$R = (5 - 2, 5) /2 мА = 1, 25$ кОм — ставят 1,2 кОм (ток 2,1 мА). Даже если USB просядет до 4,6 В, ток останется $2, 1/1, 2 \approx 1, 75$ мА — больше минимального. Цена младшего разряда: $2, 5/1024 \approx 2, 44$ мВ против 4,9 мВ при опоре 5 В. Не забудьте: при внешней опоре в программе нужно выбрать её (иначе внутренний источник замкнётся на внешний), а входной сигнал не должен превышать 2,5 В.

9. Автомобильная USB-зарядка

Бортсеть автомобиля — жёсткая среда: номинал 12 или 24 В, при работе генератора до 14,4 или 28 В, броски при отключении нагрузки (сброс нагрузки генератора) до десятков вольт, а при «прикуривании» — и переполюсовка. Понижающий преобразователь сам по себе этого не переживёт; нужна защита на входе.

12345

Автомобильная USB-зарядка: предохранитель, диод от переполюсовки, TVS-диод против бросков бортсети и LC-фильтр перед понижающим преобразователем

Что здесь что (5)

Предохранитель. защищает проводку автомобиля при пробое внутри
Диод SS34. Шоттки от переполюсовки; при правильной полярности теряет ≈ 0,4 В
TVS-диод. поглощает короткие броски бортсети, ограничивая их уровнем, безопасным для преобразователя
Катушка 10 мкГн. вместе со 100 мкФ — фильтр: не пускает помехи преобразователя в бортсеть
Buck 5 В. понижающий преобразователь с входом до 36–40 В

Упражнение 6.7.12 задача

Для чего в автомобильной зарядке каждая из деталей на входе: предохранитель, диод, TVS-диод, LC-фильтр? Почему нельзя поставить линейный стабилизатор 7805 и обойтись без всего этого?

Решение

Предохранитель защищает не зарядку, а проводку автомобиля от пожара, если внутри что-то пробьётся. Диод не даёт зарядке сгореть при перепутанной полярности. TVS-диод — мощный стабилитрон, рассчитанный на короткие импульсы большой энергии: он «срезает» броски бортсети, которые иначе пробили бы преобразователь. LC-фильтр работает в обе стороны: сглаживает помехи бортсети и, главное, не пускает импульсные токи преобразователя обратно в проводку, где они мешали бы радиоприёмнику. 7805 от 14,4 В при 2 А рассеивал бы $(14, 4 - 5) \cdot 2 \approx 19$ Вт — в маленьком корпусе зарядки это невозможно, а от 24 В — почти 40 Вт.

Упражнение 6.7.13

Зарядка с КПД 85% отдаёт 5 В, 2 А. Найдите коэффициент заполнения понижающего преобразователя и средний входной ток в легковой машине (14,4 В при работающем двигателе) и в грузовике (28 В).

D(14,4) =Iвх(14,4) =АD(28) =Iвх(28) =А

Решение

Коэффициент заполнения $D \approx U_{вых} / U_{вх}$ : $5/14, 4 = 0, 347$ и $5/28 = 0, 179$ . Входной ток из баланса мощностей: $10/ (0, 85 \cdot 14, 4) \approx 0, 82$ А и $10/ (0, 85 \cdot 28) \approx 0, 42$ А. Чем выше вход, тем меньше ток — импульсник снова ведёт себя как «трансформатор постоянного тока»; предохранитель выбирают по наибольшему току, то есть при наименьшем входном напряжении.

10. Мягкий пуск усилителя мощности

Ламповый или транзисторный усилитель на 200–300 Вт содержит тороидальный трансформатор и конденсаторы фильтра на десятки тысяч микрофарад. При включении в розетку бросок тока выбивает автомат или пережигает предохранитель. Классическое решение — ограничить бросок термистором, а потом убрать его из цепи реле.

1234

Мягкий пуск усилителя мощности: первую секунду ток идёт через холодный NTC-термистор, потом реле K1 закорачивает его

Что здесь что (4)

NTC 5 Ом. холодный ограничивает бросок; через секунду его закорачивает реле
Контакт реле K1. после пуска шунтирует термистор: на нём больше не теряется мощность
Задержка. простая RC-цепочка с транзистором включает реле примерно через секунду
Блок питания. тороидальный трансформатор, мост и большие конденсаторы

Упражнение 6.7.14

Усилитель потребляет из сети 230 В действующий ток 1,5 А. Оцените наибольший бросок тока при включении на пике сети, если ограничивает его только холодный термистор 5 Ом. Сколько мощности термистор (прогретый до 0,25 Ом) рассеивал бы постоянно, если бы его не закорачивало реле?

Iпуск =АP =Вт

Решение

Бросок $\approx 2302 /5 \approx 65$ А — на самом деле меньше за счёт сопротивления обмоток и проводки, но порядок верный; без термистора он мог бы достигать сотен ампер. Прогретый термистор: $1, 5^{2} \cdot 0, 25 \approx 0, 56$ Вт — немного, но термистор при этом горячий (иначе его сопротивление не было бы малым), и после короткого отключения он не успеет остыть — повторное включение пройдёт без ограничения. Реле решает обе проблемы: термистор остывает, пока усилитель работает.

11. Умножитель ёмкости для чистого питания

Для фонокорректора или микрофонного предусилителя нужно очень чистое питание, но стабилизировать напряжение точно не обязательно. Вместо громоздкого LC-фильтра можно поставить «умножитель ёмкости»: RC-фильтр стоит в цепи базы, где ток в сотню раз меньше, а нагрузку питает эмиттерный повторитель.

1234

«Умножитель ёмкости» для питания предусилителя: RC-фильтр в цепи базы, а ток нагрузки отдаёт эмиттерный повторитель

Что здесь что (4)

100 Ом. вместе с 2200 мкФ — фильтр нижних частот в цепи базы
2200 мкФ. на базе почти нет пульсаций
T_1. эмиттерный повторитель: выход повторяет чистое напряжение базы
100 мкФ. выходной конденсатор: низкое сопротивление на высоких частотах

Упражнение 6.7.15

На входе пульсации 1,5 В от пика до пика с частотой 100 Гц, нагрузка 0,5 А, коэффициент передачи тока транзистора 100. Во сколько раз RC-фильтр ослабит пульсации (считайте его простым звеном первого порядка выше частоты среза), каким будет их размах на выходе и сколько вольт схема «съест» по постоянному току ( $U_{БЭ}$ = 0,7 В)?

ослабление =разΔUвых =мВΔU= =В

Решение

Выше частоты среза звено RC ослабляет в $2 π f RC = 2 π \cdot 100 \cdot 100 \cdot 2200 \cdot 1 0^{- 6} \approx 138$ раз; пульсации на базе (и на выходе повторителя) $1, 5/138 \approx 11$ мВ. По постоянному току: базовый ток $0, 5/100 = 5$ мА создаёт на 100 Ом 0,5 В, плюс $U_{БЭ}$ 0,7 В — всего около 1,2 В. Чтобы получить тот же эффект пассивным RC-фильтром в силовой цепи, понадобился бы конденсатор в 100 раз больше — отсюда и название «умножитель ёмкости». Стабилизации схема не даёт: медленные изменения входа проходят на выход.

12. Средняя точка из одной батареи

Многим схемам на ОУ удобно двуполярное питание, а у нас одна батарея 9 В. Делитель из двух резисторов даёт середину, но стоит нагрузить её током сигнала — и она «поплывёт». Повторитель на ОУ превращает делитель в настоящую «землю».

Расщепитель питания: ОУ-повторитель делает из одной батареи «среднюю точку» с малым выходным сопротивлением

Упражнение 6.7.16 задача

Зачем в расщепителе питания нужен ОУ, если делитель и так даёт 4,5 В? Для чего конденсатор 1 мкФ на делителе и 10 мкФ на выходе? Какие ограничения у такой «земли»?

Решение

Выходное сопротивление делителя 10 кОм ∥ 10 кОм = 5 кОм: ток сигнала в 1 мА сдвинул бы «землю» на 5 В. ОУ-повторитель с обратной связью имеет выходное сопротивление в доли ома на низких частотах — средняя точка держится, пока ток в пределах возможностей ОУ (обычно 10–20 мА). Конденсатор 1 мкФ фильтрует шум и пульсации делителя, чтобы они не попали в «землю». Конденсатор на выходе держит «землю» на высоких частотах, где обратная связь ОУ уже слаба; но большая ёмкость прямо на выходе ОУ может сделать его неустойчивым — по документации ставят небольшой резистор последовательно или выбирают ОУ, устойчивый на ёмкостную нагрузку. Ограничения: ток «земли» ограничен током ОУ, по мере разряда батареи средняя точка сдвигается вслед за половиной её напряжения, а несимметричная нагрузка греет ОУ. Для больших токов есть специальные микросхемы расщепителей и схемы с двухтактным повторителем на выходе.

13. Автоматический переход на аккумулятор

Регистратор данных должен работать и от USB, и от встроенного аккумулятора, а переключаться — сам и без провалов. Два диода Шоттки «ИЛИ» потеряли бы на аккумуляторной ветви 0,3–0,4 В — жалко, когда аккумулятор и так садится до 3,3 В. Здесь эту ветвь замыкает p-МОП, управляемый наличием USB.

Автоматический переход USB ↔ аккумулятор: есть USB — затвор p-МОП поднят и аккумулятор отключён; нет USB — T₁ открыт и питает схему

Упражнение 6.7.17 задача

Опишите поведение схемы, когда USB подключён и когда его отключили. Почему p-МОП включён стоком к аккумулятору, а не наоборот? Что будет, если USB подключить к разряженному аккумулятору?

Решение

USB есть. Затвор $T_{1}$ подтянут к 5 В, исток — к узлу питания LDO (≈ 4,7 В после диода Шоттки). Напряжение затвор — исток положительное, p-канал заперт. Внутренний диод транзистора (анод — сток, катод — исток) тоже заперт, потому что на истоке 4,7 В, а на стоке, у аккумулятора, не больше 4,2 В. Схему питает USB, аккумулятор отключён.

USB вынули. Резистор 100 кОм тянет затвор к земле, исток — у напряжения аккумулятора: канал открывается, и аккумулятор питает схему почти без потерь. В момент переключения внутренний диод подхватывает ток, пока канал не откроется, — провала нет, его сглаживает и конденсатор на входе LDO.

Если перевернуть транзистор, внутренний диод пропускал бы ток от USB в аккумулятор — неконтролируемая зарядка, опасная для лития. Сама схема аккумулятор не заряжает: для этого рядом ставят отдельную микросхему зарядки от USB.

6.7.2Найдите ошибку

≈ 8 мин9 упр.

Главное

Девять схем, в каждой — типичная ошибка, которая встречается в реальных конструкциях.
Ловушки: устойчивость LDO, минимальная нагрузка 317, параллельное включение, полярность электролитов, балластный резистор, обратная связь вне петли, общая «земля», тепло, медленный диод в импульснике.
В конце пункта — чек-лист, по которому стоит проверять любой источник питания до включения.

Схемы ниже на первый взгляд выглядят разумно, а некоторые даже будут какое-то время работать. Но в каждой спрятана ошибка — из тех, что делают и новички, и опытные разработчики, когда торопятся. Попробуйте найти её сами, прежде чем открывать разбор.

Старый LDO с p-n-p-ключом и одной керамикой 1 мкФ на выходе

Упражнение 6.7.18

В новой версии платы дешёвый LDO 5 В старого типа (проходной элемент — p-n-p-транзистор) поставили по схеме с одной керамикой 1 мкФ на выходе — «керамика же лучше электролита». На выходе обнаружилась генерация на сотнях килогерц. В чём причина?

Решение

У LDO с p-n-p- или p-МОП-ключом выход — коллектор (сток), у него высокое выходное сопротивление, и полюс, образованный выходным конденсатором, приходится на низкую частоту. Многие старые LDO рассчитаны на то, что ЭПС танталового или алюминиевого конденсатора (доли ома — единицы ом) добавит в петлю «ноль», возвращающий запас по фазе. У керамики ЭПС — миллиомы, ноля нет, и стабилизатор возбуждается. Исправление: конденсатор, указанный в документации (часто тантал 10 мкФ), последовательный резистор около 1 Ом с керамикой — или современный LDO, специально рассчитанный на керамику.

«Экономный» делитель для 317 в батарейном устройстве

Упражнение 6.7.19

Разработчик батарейного устройства увеличил делитель 317 в десять раз, чтобы «не тратить ток»: $R_{1}$ = 2,4 кОм, $R_{2}$ = 7,2 кОм. Пока микроконтроллер работает, всё в порядке, а в режиме сна (1 мА) выход поднимается до 6–7 В. Найдите ток делителя и наибольшее $R_{1}$ , при котором делитель сам обеспечит 5 мА минимальной нагрузки. Каким тогда должно быть $R_{2}$ для 5 В?

Iдел =мАR1макс =ОмR2 =Ом

Решение

Ток делителя $1, 25/2400 \approx 0, 52$ мА, вместе со сном микроконтроллера — около 1,5 мА, а 317 нужно 3,5–10 мА: внутренний ток покоя некуда девать, он заряжает выход вверх. Делитель на 5 мА: $R_{1} \leq 1, 25/0, 005 = 250$ Ом (берут 240 Ом), $R_{2} = 240 (5/1, 25 - 1) = 720$ Ом. Если ток действительно дорог, 317 — плохой выбор: нужен микромощный LDO с током покоя в микроамперы.

«Удвоение тока»: два 7805 просто соединены параллельно

Упражнение 6.7.20

Нагрузке нужно 2 А, а 7805 рассчитан на 1 А. Поставили два 7805 параллельно. Что будет?

Решение

Выходные напряжения двух экземпляров отличаются на десятки милливольт (допуск ±2–4%), а выходное сопротивление каждого — миллиомы. Стабилизатор с бо́льшим напряжением «запирает» второй и пытается отдать весь ток сам; дойдя до ограничения, он просаживает выход, второй подхватывает часть тока, первый перегревается и отключается — и так по кругу. Поделить ток могут лишь выравнивающие резисторы (доли ома последовательно с каждым выходом) ценой ухудшения стабилизации — а правильнее взять один стабилизатор на нужный ток или внешний проходной транзистор.

Отрицательный стабилизатор с электролитами на входе и выходе

Упражнение 6.7.21

Плата питания для отрицательной шины: 7905 с электролитами 470 мкФ на входе и 220 мкФ на выходе. Через несколько минут после включения один конденсатор вздулся. Какой и почему?

Решение

На отрицательной шине «плюс» электролита должен смотреть на землю, а «минус» — на шину. Входной конденсатор нарисован правильно (плюс — к земле), а выходной — по привычке как у 7805: плюс на шине −5 В. Под обратным напряжением оксидный слой электролита разрушается, течёт ток утечки, конденсатор греется и вздувается, а иногда и взрывается. Ошибка особенно частая при разводке двуполярного питания, когда плюсовую половину копируют в минусовую.

Параметрический стабилизатор для модуля радиоприёмника

Упражнение 6.7.22

Модулю радиоприёмника нужно 5,1 В при 20 мА; питание — от 8 до 10 В. Собрали стабилитрон 5,1 В с балластом 470 Ом — и приёмник не работает. Какой ток способен дать балласт при минимальном входе? Каким должен быть резистор, чтобы при 8 В через стабилитрон оставалось 5 мА? Какую мощность рассеет стабилитрон без нагрузки при 10 В, если поставить 110 Ом?

Iбал =мАRмакс =ОмPст =Вт

Решение

При 8 В через 470 Ом может течь лишь $(8 - 5, 1) /470 \approx 6, 2$ мА — меньше тока нагрузки, стабилитрон закрыт, напряжение проседает. Балласт должен пропустить ток нагрузки плюс минимальный ток стабилитрона: $R \leq (8 - 5, 1) / (0, 020 + 0, 005) = 116$ Ом (берут 110 Ом). Худший режим для стабилитрона — нагрузка отключена при 10 В: весь ток $(10 - 5, 1) /110 \approx 44, 5$ мА идёт через него, $P \approx 5, 1 \cdot 0, 0445 \approx 0, 23$ Вт — нужен стабилитрон на 0,5 Вт. Видно, почему параметрический стабилизатор годится лишь для малых токов: он постоянно тратит максимальный ток.

Диод на выходе 317 «чтобы ток не шёл обратно» — делитель подключён до диода

Упражнение 6.7.23 задача

Чтобы при отключении входа большой конденсатор нагрузки не разряжался «обратно» через 317, на выход поставили последовательный диод, а делитель оставили там же, где был. Нагрузка жалуется: напряжение ниже 5 В и зависит от тока. Почему? Как исправить?

Решение

Делитель подключён до диода, поэтому 317 стабилизирует 5 В у себя на выходе, а нагрузка получает $5 - U_{Д}$ , где $U_{Д}$ = 0,6–0,9 В в зависимости от тока и температуры. Диод оказался вне петли обратной связи, и его падение никто не компенсирует. Исправление: подключить верхний вывод $R_{1}$ после диода, у нагрузки, — тогда петля охватит диод и скомпенсирует его падение (вход должен быть выше на перепад 317 плюс падение диода). А если цель — защитить 317 от обратного тока, правильнее не последовательный диод, а защитный диод от выхода ко входу, как в пункте о тонкостях применения в разделе 6.5.

Мотор и Arduino с аналоговым датчиком возвращают ток к источнику по одной «земляной» дорожке

Упражнение 6.7.24

Мотор (2 А) и Arduino с аналоговым датчиком разведены так, что ток мотора возвращается к источнику по той же «земляной» дорожке длиной 10 см, что и земля Arduino. Дорожка шириной 1 мм, медь 35 мкм ( $ρ = 1, 75 \cdot 1 0^{- 8}$ Ом·м). Какое падение напряжения создаёт на ней ток мотора и скольким единицам младшего разряда 10-битного АЦП с опорой 5 В оно соответствует?

R =ОмΔU =ВЕМР =

Решение

Сопротивление дорожки $R = ρl / (wt) = 1, 75 \cdot 1 0^{- 8} \cdot 0, 1/ (1 0^{- 3} \cdot 35 \cdot 1 0^{- 6}) = 0, 05$ Ом; падение $2 \cdot 0, 05 = 0, 1$ В. «Земля» Arduino оказывается на 0,1 В выше земли датчика (а при пусках мотора — и больше), и показания прыгают на $0, 1/ (5/1024) \approx 20$ единиц. Исправление — развести силовую и сигнальную землю отдельными проводниками и соединить их в одной точке, у источника («звезда»), а ещё лучше — питать мотор от отдельного провода прямо от блока питания.

Плата управления с сервоприводами питается от блока 24 В

Упражнение 6.7.25

Плата управления берёт 0,5 А от 5 В, а единственный источник в устройстве — 24 В для сервоприводов. Поставили 7805 в корпусе ТО-220 без радиатора (тепловое сопротивление кристалл — воздух ≈ 50 °C/Вт), и плата «подвисает» каждые полминуты. Сколько тепла выделяет 7805? Какой наибольший ток он мог бы отдать без радиатора при воздухе 40 °C и предельной температуре кристалла 125 °C?

P =ВтIмакс =А

Решение

$P = (24 - 5) \cdot 0, 5 = 9, 5$ Вт: без радиатора кристалл перегрелся бы на сотни градусов, поэтому срабатывает тепловая защита — стабилизатор отключается, остывает, включается снова, отсюда и «подвисания». Без радиатора допустимо $(125 - 40) /50 = 1, 7$ Вт, то есть $1, 7/19 \approx 0, 09$ А. Решения: понижающий импульсный модуль 24 → 5 В (тепла меньше ватта), либо промежуточный стабилизатор на 12 В и радиаторы — но при перепаде 19 В линейное решение в любом случае превращает почти 80% мощности в тепло.

Понижающий преобразователь, собранный из того, что было в ящике

Упражнение 6.7.26

Понижающий преобразователь 24 → 5 В на 200 кГц собрали с выпрямительным диодом 1N4007 в качестве обратного. Преобразователь работает, но КПД около 60%, диод и ключ очень горячие. В чём ошибка?

Решение

Выпрямительный диод для 50 Гц после прямого тока ещё микросекунды проводит в обратную сторону, пока из перехода не уйдут накопленные носители. На 200 кГц (период 5 мкс) это катастрофа: при каждом включении ключа вход на это время почти закорачивается через диод, оба греются, помехи огромны. К тому же его прямое падение ≈ 1 В при 3 А — ещё 2 Вт потерь. Диод Шоттки (например, на 40 В, 5 А) не имеет накопления носителей и падает на нём ≈ 0,5 В; ещё лучше синхронный выпрямитель — второй МОП-транзистор вместо диода.

Чек-лист: проверьте источник питания до первого включения

Устойчивостьтип и ЭПС выходного конденсатора — как в документации стабилизатора (схема 1)
Минимальная нагрузкау 317 ток делителя не меньше 3,5–10 мА; у импульсников — минимальная нагрузка по документации (2)
Параллельное включениестабилизаторы не соединяют параллельно без выравнивающих резисторов (3)
Полярностьна отрицательных шинах плюс электролита — к земле (4)
Расчёт балластапо минимальному входу и максимальной нагрузке, мощность стабилитрона — по максимальному входу без нагрузки (5)
Петлявсё, что стоит между стабилизатором и нагрузкой, должно быть внутри обратной связи (6)
Землясиловые и сигнальные токи возвращаются раздельно, соединение — в одной точке (7)
Тепло $(U_{вх} - U_{вых}) I$ посчитано, радиатор выбран; при большом перепаде — импульсник (8)
Импульсные деталидиод Шоттки или синхронный ключ, катушка с запасом по току насыщения, конденсаторы с малым ЭПС (9)