Импульсные стабилизаторы напряжения на микросхемах теория и практика

June 14, 2010 by admin Комментировать »

Стабилизатор напряжения с широтно-импульсным управле­нием А. Колдунова (рис. 7.1) является усовершенствованным ва­риантом стабилизатора П. Беляцкого [7.1].

clip_image002

Рис. 7.1. Схема стабилизатора регулируемого напряжения (0…25 В) с широтно-импульсным управлением

На микросхеме DA1 типа КР1006ВИ1 собран генератор прямоугольных импульсов с широтно-импульсным управлением. Генератор питается от параметрического стабилизатора на ста­билитроне VD1. Выходные импульсы с генератора поступают на двухкаскадный транзисторный ключ (транзисторы VT2 и VT3), коммутирующий индуктивный накопитель энергии’— катушку ин­дуктивности (дроссель) L1. Выходное напряжение заряжает кон­денсатор большой емкости СЗ. Напряжение, снимаемое с этого конденсатора, через регулируемый резистивный делитель R7 и R8 поступает на базу транзистора VT1, управляющего дли­тельностью генерируемых импульсов, и, следовательно, опре­деляющего величину энергии, накапливаемой в индуктивном накопителе энергии.

Величину выходного напряжения можно изменять в преде­лах от О до 25 Б при величине питающего напряжения 40 В.

Поскольку устройство имеет высокий КПД, то при токе нагрузки менее 200 мА теплоотвод для транзистора VT2 не обязателен.

Дроссель L1 намотан на ферритовом кольце с внешним диаметром 10… 15 мм проводом ПЭВ-2 0,6.. .0,8 мм до заполнения и залит парафином для снижения свиста.

Импульсные стабилизаторы обладают более высоким КПД при среднем и большом токе нагрузки, однако при малом токе КПД у них меньше.

Схема устройства, показанная на рис. 7.2, лишена такого недостатка [7.2]. Это позволяет применять его практически в лю­бой аппаратуре: как в различных цифровых, так и в звуковоспро­изводящих и радиоприемных устройствах.

Технические характеристики:

Ток холостого хода, не более — 0,25 мА.

Длительный номинальный ток нагрузки — 100 мА.

Максимальный ток нагрузки — 200 мА.

Входное напряжение—11… 15 Б.

Выходное стабилизированное напряжение — 9 В.

КПД: при входном напряжении 11 В и номинальном токе нагруз­ки — 82% при 13 В и токе нагрузки ^0 мА — 65%; 100 М/А — 72%; 200 мА — 69Vo.

Коэффициент стабилизации при номинальном токе нагрузки не менее — 300.

Амплитуда пульсаций при максимальном токе нагрузки не бо­лее 2 мБ.

Стабилизатор (рис. 7.2) содержит коммутирующий состав­ной транзистор VT1, VT2, коммутирующий диод VD2 и дроссель L1. В узел управления входят опорный элемент на транзисторе VT3 и компаратор DA1. На выходе стабилизатора включен тран­зисторный фильтр VT4, VT5. Основа узла управления — компа­ратор DA1 на ОУ типа К140УД12. К его инвертирующему входу подключен микромощный опорный элемент, выполненный на обратносмещенном эмиттерном переходе транзистора VT3. На­пряжение его стабилизации (лавинного пробоя) 7…7,5 В обеспе­чивается при токе 20…30 мкА.

clip_image004

Рис. 7.2. Схема экономичного импульсного стабилизатора напряжения

На неинвертирующий вход ОУ подается сигнал с резистив­ного делителя R5 — R7. Выходное напряжение регулируется по­тенциометром R6.

Конденсатор 03 увеличивает фазовый сдвиг сигнала обрат­ной связи, что необходимо для циклического характера работы устройства. Он же определяет рабочую частоту и в значительной мере влияет на величину пульсаций.

Выход компаратора подключен к базе составного транзи­стора (VT1, VT2) через резистор R3, задающий ток управления, и стабилитрон VD1, который обеспечивает отсечку управляющего тока и надежное закрывание коммутирующего транзистора во всем интервале входного напряжения. Конденсатор 02 подавляет высокочастотные помехи.

На выходе стабилизатора включен не традиционный LC-фильтр, а транзисторный, что позволяет улучшить динамические характеристики устройства и подавить пульсации не менее чем на 40 дБ. У транзисторного фильтра есть еще одно преимущест­во — «мягкое» включение стабилизатора: его выходное напряже­ние плавно нарастает в течение 2…4 с. Негативным моментом использования транзисторного фильтра является снижение КПД стабилизатора на Q…8%.

Дроссель L1 содержит 28 витков провода ПЭВ-2 0,57, намо­танного на броневом магнитопроводе В14 из феррита 2000НМ. Немагнитный зазор 0,2 мм в магнитопроводе обеспечен проклад­кой из бумаги.

Транзисторы устройства при номинальном токе не требуют теплоотвода. Если стабилизатор предполагают эксплуатировать, при токе нагрузки более 50 мА, то транзистор VT1 должен быть типа КТ81х и его следует установить на теплоотвод площадью 10… 16 сл/. Допустимо использовать транзисторы КТ639, КТ644, тогда выходной ток стабилизатора можно увеличить до 0,5 А.

Типовая схема импульсного стабилизатора напряжения, по­строенного на микросхеме КР142ЕП1А, изображена на рис. 7.3 [7.3, 7.4]. Источник опорного напряжения микросхемы питается не­посредственно входным напряжением стабилизатора, а пороговое устройство — стабилизированным, снимаемым с вывода 6 (оно по­ступает через транзистор VT1, являющийся усилителем тока).

Коммутирующим элементом стабилизатора, собранным на транзисторах VT2, VT3, управляет импульсный сигнал, снимае­мый с выводов 2, 3 микросхемы. На базу (выв. 4) внутреннего составного транзистора микросхемы, служащего встроенным коммутирующим элементом, сигнал поступает с выхода порого­вого устройства (выв. 11). Сигнал обратной связи снимается с выхода стабилизатора и через резистивный делитель напряже­ния R6 и R9 подводится ко входу дифференциального усилите­ля порогового устройства (выв. 12). На второй вход усилителя (выв. 13) подано стабильное напряжение с источника опорного напряжения.

clip_image006

Рис. 7.3. Типовая схема импульсного стабилизатора напряжения на микросхеме КР142ЕП1А

При работе микросхемы в составе ключевого стабилизато­ра пороговое устройство переключается с частотой, зависящей от параметров элементов стабилизатора, режима микросхемы и тока нагрузки. Если при воздействии дестабилизирующих факто­ров выходное напряжение стабилизатора изменяется, то в силу действия обратной связи изменяется и частота переключения, причем так, что выходное напряжение возвращается к установ­ленному уровню.

Если по тем или иным причинам необходимо, чтобы работа порогового устройства была синхронизирована с частотой како­го-либо внешнего генератора, его синхронизирующий сигнал по­дают на выводы 14 и 15 микросхемы. Это дает возможность строить импульсные стабилизаторы с широтно-импульсным (ШИ) регулированием. Частота переключения коммутирующего эле­мента в ШИ стабилизаторе постоянна, а под влиянием дестаби­лизирующих факторов изменяется соответствующим образом длительность открытого состояния коммутирующего элемента.

Основные электрические характеристики микросхемы:

Входное напряжение (подводимое к выв. 5) — 10…40 В.

Максимальная частота коммутации при входном напряжении 40 В, выходном токе 50 мА и температуре окружающей среды -10.. .+25°С — до 300 кГц.

Для получения стабильных выходных напряжений -i-12 и -1-5 В от автомобильного или иного аккумулятора напряжением 9… 12 (9… 18) В может быть использован повышающий импульс­ный стабилизатор напряжения (рис. 7.4), на выходе которого включены микросхема DA2 типа 7812 на напряжение 12 В и мик­росхема DA3 типа 7805 на напряжение 5 В [7.5].

clip_image008

Рис. 7.4. Схема повышающего импульсного стабилизатора напряжения

Повышающий импульсный стабилизатор напряжения соб­ран на микросхеме DA1 типа UC3843N, выход которой подключен к ключевому полевому транзистору VT1 типа BUZ11. В схеме ис­пользуется дроссель индуктивностью 50 мкГн (20…60 мкГн). Он намотан на ферритовом кольце К25х11×22 ЮООНМ и содержит 20 витков максимально толстого провода. Диод выпрямителя — типа 1N5818. Напряжение на конденсаторе С6 — 18 В.

Частота преобразования 50 кГц. Выходной ток преобразо­вателя до ЗА при КПД примерно 70%.

Двухполярный импульсный стабилизатор напряжения [7.6], предназначен для питания измерительного прибора, его схема по­казана на рис. 7.5. Стабилизатор выполнен на основе специали­зированной микросхемы МАХ743.

clip_image010

Рис. 7.5.

Схема двухполярного импульсного стабилизатора напряжения

Для создания современных импульсных стабилизаторов на­пряжения с высокой рабочей частотой (более 100 кГц) и КПД до 90% и выше разработана специализированная микросхема управления типа UC3843 фирмы UNITRODE CORP.

Для создания серии импульсных стабилизаторов напряже­ния может быть использован типовой блок управления, в состав которого входит микросхема UC3843 (рис. 7.6) [7.7, 7.8].

Схема мощного импульсного стабилизатора напряжения по­нижающего типа [7.7, 7.8] с защитой от перегрузок по току с ис­пользованием типового блока управления показана на рис. 7.7.

Дроссель L1 (рис. 7.6) намотан на кольце К10x6x4,5 из пер­маллоя МП140 и содержит 5 витков жгута из 6 проводов ПЭВ 0,51 мм, уложенных по всему периметру кольца в один слой. Дроссель L1 (рис. 7.7) выполнен на кольце К19x11x4,8 из того же материала и содержит 12 витков из 10 скрученных вместе про­водов того же диаметра. Трансформатор Т1 намотан на кольце

clip_image012

Рис. 7.6. Схема типового блока управления с микросхемой

clip_image014

Рис. 7.7. Схема мощного импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа

K^ 0x6x3 2000НМ1. Вторичная обмотка II намотана проводом ПЭВ 0,2 мм и содержит 200 витков, равномерно уложенных по пери­метру. Первичная обмотка — 1 виток многожильного провода се­чением 1 мм^, проходящего через отверстие кольца. Концы его подключены к стоку транзистора VT2 и точке соединения катода диода VD1 и левого по схеме вывода дросселя L1. Необходимо соблюдение полярности подключения обмоток.

Основные характеристики стабилизатора: входное напряже­ние — 8… 15 В; выходное напряжение — 5 В; максимальный выход­ной ток — 10 Л; амплитуда пульсаций выходного напряжения — не более 100 мБ, нестабильность выходного напряжения — 2%; час­тота преобразования — 100 кГц; среднее значение КПД—90%.

Усовершенствованный вариант схемы предыдущего стаби­лизатора (рис. 7.8) имеет повышенный КПД за счет использования нового схемотехнического решения, которое позволяет значитель­но уменьшить падение напряжения на коммутирующем диоде [7.7, 7.8].

Суть этого решения состоит в том, что коммутирующий диод заменяется на биполярный или полевой транзистор. Его включа­ют, когда диод должен быть открыт, а выключают — когда закрыт. Падение напряжения на открытом транзисторе может быть в 5… 10 раз меньше, чем даже на диоде Шотки. Так, за счет использования в качестве коммутирующего диода л-канального полевого транзи­стора IRF3205 (VT3) с сопротивлением открытого канала 8 мОм, падение напряжения на нем не превышает 100 мВ при максималь­ном токе нагрузки. Для сравнения — соответствующее падение на­пряжения в тех же условиях для диодов Шотки достигает 500 мВ.

clip_image016

Рис. 7.8. Схема усовершенствованного варианта импульсного стабилизатора

clip_image018

Рис. 7.9. Схема импульсного стабилизатора с повышенной эф­фективностью преобразования

При примерно тех же основных параметрах потери в новом варианте стабилизатора снижены до минимума, его КПД прибли­жается к 95%.

Еще одна схема импульсного стабилизатора [7.7, 7.8] с ис­пользованием полевого транзистора показана на рис. 7.9.

Большинство его характеристик в основном такие же, как и у схемы на рис. 7.7, однако амплитуда пульсаций выходного на­пряжения снижена до 80 мБ, а частота преобразования повышена до 120 кГц. При этом среднее значение КПД при максимальном токе нагрузки во всем интервале изменения входного напряжения составляет не менее 95%.

Данные намоточных элементов те же, что и для схемы на рис. 7.7.

1 комментарий

  1. Andrej says:

    дроссель L1 (в схеме 7,1 и др.) лучше НЕ ЗАЛИВАТЬ парафином а использовать либо феррит с зазором либо магнитодиэлектрики (на основе сендаста или альсифера) т. к. феррит НАСІЩАЕТСЯ и падает КПД из-за его нагрева (пересчитайте магнитную цепь для такого кольца где-то насіщение наступит при 10-12 А*ВИТ)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты