Мощный источник 12 В на 15 А: 7812 и три транзистора параллельно

Линейный источник 12 В на 15 А строят так: микросхема 7812 стабилизирует напряжение и командует тремя мощными транзисторами в параллель, которые несут основной ток.

На транзисторах выделяется (Uвх − 12 В) · 15 А, то есть порядка 160–180 Вт. Трансформатору при ёмкостном фильтре нужен ток вторичной обмотки примерно в 1,6 раза больше тока нагрузки, то есть около 24 А.

Поэтому сначала прикиньте, не проще ли взять импульсный блок: линейный выигрывает только отсутствием высокочастотных помех.

Когда нужно питать усилитель, автомагнитолу на столе или радиостанцию, мощности маленького блока не хватает: нужно 12 В и 10–15 А. Классический трюк — стабилизатор на 1 А, который командует внешними транзисторами.

Ниже — как работает схема, расчёт трансформатора, фильтра и нагрева, выбор деталей, безопасность и ошибки.

Как это устроено

Диодный мост и конденсатор фильтра превращают 18 В переменного в порядка 24 В постоянного без нагрузки (18 · 1,41 − 1,4 ≈ 24 В). Микросхема 7812 даёт 12 В и до 1,5 А и по даташиту сама справляется с перегревом и коротким замыканием.

Транзисторы подключены так, что берут на себя ток сверх нескольких сотен миллиампер, а 7812 остаётся «мозгом». Предохранитель F2 на 15 А защищает всю цепь на выходе.

Три транзистора в параллель сами по себе делят ток неровно, поэтому в эмиттерные цепи ставят небольшие выравнивающие резисторы; если их нет на исходной схеме, добавьте.

Данные из даташитов

Для 7812 использованы данные даташита Texas Instruments на LM340/LM7812.

• 
  Выходное напряжение.11,5–12–12,5 В при 25 °C и токе 5 мА…1 А; 11,4–12,6 В во всём диапазоне при входе 14,5–27 В.
• 
  Падение напряжения.2 В при токе 1 А, 25 °C.
• 
  Ток покоя.Не более 8 мА при 25 °C.
• 
  Входное напряжение.Не более 35 В.
• 
  Тепло.Тепловое отключение при температуре кристалла выше 150 °C.

Для проходных транзисторов TIP2955 каталожные данные (радиолокман) такие: p-n-p, напряжение коллектор–эмиттер 60 В, ток коллектора 15 А. Рассеиваемая мощность 90 Вт указана при температуре корпуса 25 °C, коэффициент передачи тока — 20–70 при токе 4 А.

Расчёт проходных транзисторов и микросхемы

Ток через проходные транзисторы IQ1 = Iнагрузки − IREG, где IREG — ток микросхемы. Пусть IREG не больше 1 А, тогда IQ1 = 15 − 1 = 14 А, или около 4,7 А на транзистор.

Ток базы одного транзистора при коэффициенте передачи не менее 20 (значение из каталога при 4 А): 4,7 / 20 ≈ 0,23 А. Три транзистора потребляют около 0,7 А базового тока, и эту часть отдаёт микросхема 7812.

Остальной ток микросхемы течёт через резистор между эмиттером и базой транзистора. Его значение — R = UБЭ / (IREG − IБ); для оценки: если UБЭ ≈ 1 В (допущение), то R ≈ 1 / (1 − 0,7) ≈ 3 Ом.

Это пример (условный) для понимания порядка. Точные R и выравнивающие резисторы подбирают по реальным транзисторам; в схеме высокотокового регулятора из даташита TI R1 = 3,0 Ом.

Микросхема сама рассеивает (Uвх − 12 В) · IREG: при входе 22,5 В и IREG = 0,7 А это (22,5 − 12) · 0,7 ≈ 7,4 Вт, поэтому 7812 тоже нужен радиатор.

Расчёт трансформатора и фильтра

Трансформатор. Согласно руководству Hammond по выбору трансформатора, для мостового выпрямителя с конденсатором на входе фильтра постоянный ток равен 0,62 от действующего тока вторичной обмотки. Значит, ток обмотки в 1/0,62 ≈ 1,61 раза больше тока нагрузки.

Для 15 А получается 15 · 1,61 ≈ 24 А.

Мощность вторичной обмотки: 18 В · 24 А ≈ 435 ВА. Ток первичной обмотки при 435 ВА — 435 / 230 ≈ 1,9 А, значит, предохранитель нужен инерционный на 3–4 А.

Фильтр. Пульсации ΔU ≈ I / (2 · f · C).

Чтобы ΔU не превышало 2,3 В при 15 А, нужно C = 15 / (2 · 50 · 2,3) ≈ 65 000 мкФ. Три конденсатора по 22 000 мкФ дают ΔU ≈ 15 / (100 · 0,066) ≈ 2,3 В.

Ёмкость фильтра	ΔU при 15 А	Дно пульсаций (24 В − ΔU)
3 × 10 000 мкФ	≈ 5 В	≈ 19 В
3 × 22 000 мкФ	≈ 2,3 В	≈ 21,7 В

Дно пульсаций должно оставаться выше 12 В плюс запас для транзистора и микросхемы. По даташиту падение на 7812 около 2 В; при просадке вторичной обмотки под нагрузкой запас уменьшается.

Мост. Ток зарядки конденсаторов течёт короткими импульсами, поэтому мост ставят на радиатор. Руководство Hammond рекомендует рейтинг выпрямителя не менее чем вдвое выше тока нагрузки, то есть здесь не менее 30 А.

Расчёт нагрева

На полном токе на транзисторах падает (Uвх − 12 В) при 15 А. Для среднего входа около 22,5 В это (22,5 − 12) · 15 ≈ 158 Вт, то есть около 53 Вт на транзистор. Для верхней оценки по 24 В — 180 Вт, или 60 Вт на транзистор.

Это ниже 90 Вт из каталога, но такая мощность допустима при температуре корпуса 25 °C, а на радиаторе корпус горячее, и допустимая мощность меньше (кривая — в даташите). Суммарно блок рассеивает около 165 Вт вместе с микросхемой.

Тепловое сопротивление общего радиатора: RθSA = (Tрад − Tокр) / P. При температуре радиатора 80 °C и воздухе 40 °C получается (80 − 40) / 165 ≈ 0,24 °C/Вт: это радиатор с вентилятором. Подберите его калькулятором радиатора.

КПД блока: 12 / 22,5 ≈ 53 %. Всё остальное идёт в тепло.

Выбор деталей

Выбор деталей сводится к трём требованиям.

• 
  Транзисторы.Корпуса соединены с коллекторами: ставьте на радиатор через изолирующие прокладки.
• 
  Провода.Для 15 А сечение выбирайте калькулятором сечения кабеля. Например, медь 4 мм² и 1 м в одну сторону (2 м туда и обратно): R = 0,0175 · 2 / 4 ≈ 0,009 Ом, падение при 15 А около 0,13 В (удельное сопротивление меди — справочное значение).
• 
  Предохранители.F2 на 15 А на выходе и инерционный на входе.

Мощность и стоимость трансформатора, моста и транзисторов с радиаторами заметно выше готового импульсного блока 12 В.

Типовые ошибки

Где пригодится сегодня

Готовый импульсный блок 12 В на 15–20 А стоит недорого и почти не греется. Поэтому новый мощный линейник собирают редко: когда нужен блок без высокочастотных помех, например для приёмника и измерений.

Что в итоге

Подходит: работа рядом с приёмниками и слабыми сигналами, где импульсный блок мешает. Не подходит: просто дать 12 В на большую нагрузку — берите готовый импульсный блок.

Выбор типа блока — в обзоре «Какой блок питания собрать». Рядом по теме: линейный блок питания на LM317 и разбор «почему стабилизатор греется».

Частые вопросы

Какой трансформатор нужен для 12 В 15 А?

Вторичная обмотка 18 В. Ток действующий: 15 А · 1,61 ≈ 24 А, то есть мощность около 435 ВА.

Такой трансформатор тяжёлый и дорогой, поэтому для 12 В 15 А в российских магазинах чаще берут готовый импульсный блок.

Сколько тепла выделяется?

Около 158 Вт на проходных транзисторах при входе 22,5 В и около 7 Вт на микросхеме: (22,5 − 12) · 15 и (22,5 − 12) · 0,7.

Нужен радиатор с вентилятором и тепловым сопротивлением порядка 0,24 °C/Вт.

Зачем нужны выравнивающие резисторы?

Параллельные транзисторы делят ток неровно: у кого меньше напряжение база–эмиттер, тот берёт больше. Он греется сильнее, ещё больше открывается и сгорает.

Небольшие резисторы в эмиттерах выравнивают токи.

Какая ёмкость фильтра нужна?

C ≈ I / (2 · f · ΔU). Для 15 А и пульсаций 2,3 В — около 65 000 мкФ, то есть три конденсатора по 22 000 мкФ.

Если ёмкость меньше, дно пульсаций опустится и микросхема перестанет держать 12 В.

Что лучше: линейный или импульсный блок на 12 В 15 А?

Линейный даёт чистое питание без высокочастотных помех, но греется на 160 Вт и стоит дороже. Импульсный почти не греется и стоит дешевле.

Линейный нужен только для приёмников и измерений.

Полезно при расчёте

• Радиатор для транзистора и стабилизатораНужное тепловое сопротивление радиатора и нужен ли он вообще
• Закон Ома и мощностьПо любым двум из четырёх величин U, I, R, P — две остальные
• Сечение провода и кабеляМинимальное сечение по допустимому току и по падению напряжения