Spannungsstabilisator auf einem leistungsstarken Feldeffekttransistor. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Überspannungsschutz

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Der Artikel beschreibt einen analogen Spannungsregler für ein Hochleistungsnetzteil. Dem Autor gelang es, die Parameter des Stabilisators durch die Verwendung eines leistungsstarken Feldeffekttransistors als Leistungselement deutlich zu verbessern.

Beim Bau von Hochstrom-Spannungsstabilisatoren verwenden Funkamateure normalerweise spezielle Mikroschaltungen der Serie 142 und ähnliche, die durch einen oder mehrere parallel geschaltete Bipolartransistoren „verbessert“ werden. Wenn für diese Zwecke ein leistungsstarker schaltender Feldeffekttransistor verwendet wird, kann ein einfacherer Hochstromstabilisator aufgebaut werden.

Ein Diagramm einer der Optionen für einen solchen Stabilisator ist in Abb. 1 dargestellt. Als Leistungstransistor kommt ein leistungsstarker Feldeffekttransistor IRLR2905 zum Einsatz. Obwohl er für den Betrieb im Schlüsselmodus (Schaltmodus) ausgelegt ist, wird er in diesem Stabilisator im linearen Modus verwendet. Der Transistor hat im offenen Zustand einen sehr geringen Kanalwiderstand (0,027 Ohm), liefert bei einer Gehäusetemperatur von bis zu 30 °C einen Strom von bis zu 100 A, hat eine hohe Steilheit und benötigt zur Steuerung der Gate-Spannung nur 2,5 ... 3 V [1]. Die vom Transistor abgegebene Leistung kann bis zu 110 Watt betragen.

Der Feldeffekttransistor wird von einem parallelen Spannungsreglerchip KR142EN19 (TL431) gesteuert. Sein Zweck, Gerät und Parameter werden im Artikel [2] ausführlich beschrieben. Der Stabilisator funktioniert (Abb. 1) wie folgt. Beim Anschluss des Netztransformators T1 an das Netz entsteht an seiner Sekundärwicklung eine Wechselspannung von ca. 13 V (Effektivwert). Es wird durch die Diodenbrücke VD1 gleichgerichtet und einem Glättungskondensator mit hoher Kapazität (normalerweise mehrere Zehntausend Mikrofarad) wird eine konstante Spannung von etwa 16 V zugewiesen.

Es gelangt in den Drain eines leistungsstarken Transistors VT1 und über den Widerstand R1 zum Gate, wodurch der Transistor geöffnet wird. Ein Teil der Ausgangsspannung über den R2R3-Teiler wird dem Eingang des DA1-Chips zugeführt, wodurch der OOS-Stromkreis geschlossen wird. Die Spannung am Ausgang des Stabilisators steigt an, bis die Spannung am Steuereingang vu der Mikroschaltung DA1 den Schwellenwert von etwa 2,5 V erreicht. In diesem Moment öffnet die Mikroschaltung, wodurch die Spannung am Gate eines leistungsstarken Transistors gesenkt, d. h. teilweise geschlossen wird, und das Gerät wechselt in den Stabilisierungsmodus. Der Kondensator C3 beschleunigt den Ausgang des Stabilisators in den Betriebsmodus. Der Wert der Ausgangsspannung kann durch Auswahl des Widerstands R2,5 im Bereich von 30 bis 2 V eingestellt werden, sein Wert kann in einem weiten Bereich variieren. Die Kondensatoren C1, C2 und C4 sorgen für einen stabilen Betrieb des Stabilisators.

Bei der beschriebenen Version des Stabilisators beträgt der minimale Spannungsabfall am leistungsstarken Regeltransistor VT1 2,5 ... 3 V, obwohl dieser Transistor möglicherweise mit einer Drain-Source-Spannung nahe Null arbeiten kann. Dieser Nachteil ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Steuerspannung zum Gate von der Drain-Schaltung stammt. Daher öffnet sich der Transistor bei einem geringeren Spannungsabfall darüber nicht, da das Gate eines offenen Transistors eine positive Spannung relativ zur Source haben muss.

Um den Spannungsabfall am Regeltransistor zu reduzieren, empfiehlt es sich, dessen Gate-Schaltung über einen separaten Gleichrichter mit einer Spannung von 5 ... 7 V über der Ausgangsspannung des Stabilisators zu versorgen.

Wenn es nicht möglich ist, einen zusätzlichen Gleichrichter herzustellen, können eine zusätzliche Diode und ein zusätzlicher Kondensator in das Gerät eingebaut werden (Abb. 2).

Der Effekt einer so einfachen Verfeinerung kann groß sein. Tatsache ist, dass die dem Drain des Transistors zugeführte Spannung pulsierend ist und einen erheblichen variablen Anteil aufweist, der mit zunehmender Stromaufnahme zunimmt. Dank der Diode VD2 und des Kondensators C5 entspricht die Gate-Spannung ungefähr dem Spitzenwert des Pulsierens, d.h. kann einige Volt über dem Durchschnitt oder Minimum liegen. Daher ist der Stabilisator bei einer niedrigeren durchschnittlichen Drain-Source-Spannung wirksam.

Die besten Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die VD2-Diode an eine Gleichrichterbrücke angeschlossen wird (Abb. 3).

In diesem Fall steigt die Spannung am Kondensator C5, da der Spannungsabfall an der VD2-Diode geringer ist als der Spannungsabfall an den Brückendioden, insbesondere bei maximalem Strom. Wenn eine stufenlose Anpassung der Ausgangsspannung erforderlich ist, sollte der Konstantwiderstand R2 durch einen variablen oder Trimmwiderstand ersetzt werden. Der Wert der Ausgangsspannung kann durch die Formel Uout = 2,5 (1 + R2 / R3) bestimmt werden. Es ist zulässig, im Gerät einen geeigneten Transistor aus der Liste im obigen Referenzblatt, vorzugsweise gelb markiert, zu verwenden. Wenn Sie beispielsweise IRF840 verwenden, beträgt der Mindestwert der Steuerspannung am Gate 4,5 ... 5 V. Kondensatoren – kleines Tantal, Widerstände – MLT, S2-33, P1-4. Diode VD2 – Gleichrichter mit geringem Spannungsabfall (Germanium, Schottky-Diode). Die Parameter des Transformators, der Diodenbrücke und des Kondensators C1 werden basierend auf der erforderlichen Ausgangsspannung und dem erforderlichen Ausgangsstrom ausgewählt.

Obwohl der Transistor für hohe Ströme und eine hohe Verlustleistung ausgelegt ist, muss für die Ausschöpfung seines vollen Potenzials eine effiziente Wärmeableitung gewährleistet sein. Der verwendete Transistor ist für die Montage auf einem Heizkörper durch Löten vorgesehen. In diesem Fall empfiehlt es sich, eine mehrere Millimeter dicke Zwischenkupferplatte zu verwenden, auf die der Transistor aufgelötet wird und auf der die restlichen Teile montiert werden können (Abb. 4). Nach Abschluss der Installation kann die Platte dann auf dem Heizkörper platziert werden. Ein Löten ist nicht mehr erforderlich, da die Platte einen großen thermischen Kontakt zum Kühler hat.

Fig. 4

Wenn Sie einen DA1-Chip vom Typ TL431C, Widerstände vom Typ P1-12 und die entsprechenden Chipkondensatoren für die Oberflächenmontage verwenden, können diese auf einer Leiterplatte (Abb. 5) aus einseitiger Glasfaserfolie platziert werden. Die Platine wird an die Anschlüsse des Transistors angelötet und mit Klebstoff auf die Kupferplatte geklebt. Als solche Platte können Sie beispielsweise ein Gehäuse mit einem Flansch eines beschädigten leistungsstarken Bipolartransistors, beispielsweise KT827, mithilfe einer Scharnierhalterung verwenden.

Bei der Einrichtung eines Stabilisators geht es darum, den erforderlichen Wert der Ausgangsspannung einzustellen. Es ist erforderlich, das Gerät im gesamten Betriebsstrombereich auf fehlende Selbsterregung zu überprüfen. Dazu werden die Spannungen an verschiedenen Stellen des Geräts mit einem Oszilloskop überwacht. Wenn Selbsterregung auftritt, sollten parallel zu den Kondensatoren C1, C2 und C4 Keramikkondensatoren mit einer Kapazität von 0,1 μF und Leitungen mit einer Mindestlänge geschaltet werden. Diese Kondensatoren werden so nah wie möglich am Transistor VT1 und am DA1-Chip platziert.

Literatur

1. Leistungsstarke Feldeffekt-Schalttransistoren von International Rectifier. - Radio, 2001, Nr. 5, p. 45.
2. I. Netschajew. Ungewöhnliche Anwendung des KR142EN19A-Chips. – Radio, 2003, Nr. 5, S. 53, 54.

Autor: I. Nechaev, Kursk

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