Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения

Определим потери мощности в дросселе:

P_L = I²_Lср r_L = 0,35²·* 0,76 » 0,09 Вт;

4. БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Определение требований к узлам блока

Блок управления должен обеспечить надежное отпирание/запирание транзисторного ключа импульсами, следующими с заданной в техническом задании (ТЗ) частотой. Структурная схема блока управления работой импульсного стабилизатора, реализующего широтно-импульсный принцип управления, приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1

На вход дифференциального усилителя рассогласования (УР) с помощью делителя R1 R2 R3 подается часть выходного напряжения стабилизатора. Оно сравнивается со стабильным напряжением (Uоп) источника опорного напряжения (ИОН). Усиленная разность этих напряжений подается на один из входов компаратора (Com). Его второй вход подсоединен к генератору линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Компаратор переключается, когда одно из его входных напряжений становится больше другого. Полярность выходных импульсов компаратора определяется полярностью отпирающих импульсов силового транзистора силовой части и наличия выходного импульсного усилителя в блоке управления. Последний вводится в блок, если в базу составного силового транзистора необходимо подать ток больший, чем тот, который могут развить элементы, используемые в компараторе.

Все активные элементы блока управления можно сформировать на основе интегральных микросхем. Их питание будет организовано от одного из имеющихся в стабилизаторе напряжений (входного или выходного).
Требования к основным параметрам составных частей блока управления можно определить из выражения, определяющего зависимость коэффициента передачи блока управления и коэффициента деления Кд, коэффициента усиления усилителя рассогласования Ку и амплитуды сигнала ГЛИНа Uамп:

Кд Ку
Кшим =. (4.1)

Uамп
Коэффициент передачи блока управления стабилизатора понижающего типа (Кшим) зависит от заданного коэффициента стабилизации Кст и других параметров:

Кшим = (Кст -1) / Uн мин =(40 -1) / 10,8 » 3,6 В-1

В усилителе рассогласования и генераторе линейно изменяющегося напряжения применим операционные усилители, у которых линейная часть амплитудной характеристики охватывает диапазон 50% ... 70% питающего напряжения. При использовании для их питания входного напряжения стабилизатора Uп = 12 В можно принятьамп = 2 В.

Так как для использования наибольшего диапазона линейного участка амплитудной характеристики желательно «привязать» начальную точку к среднему значению входного напряжения, то
Кд = 0,5.
Подставляя вышеприведенные величины в (4.1), получаем минимальное значение для коэффициента усиления УР:

Ку = Кшим * Uамп / Кд = 3,6 * 2 / 0,5 = 14,4.

В результате проведенных расчетов получено следующее:

• 
  коэффициент усиления усилителя должен быть не менее
  
• 
  амплитуда ГЛИН Uамп = 2 В;
  
• 
  выходное напряжение делителя и ИОН Uд = Uоп = Uн * Кд = 12 * 0,5 = 6 В
  

.2 Усилитель ошибки рассогласования

На рисунке 4.2 приведена схема усилителя рассогласования и связанных с ним цепей - делителя выходного напряжения и источника опорного напряжения.

Рисунок 4.2
Усилитель рассогласования (УР) сформирован на основе операционного усилителя DA по схеме дифференциального усилителя. При = R8 и R9 = R10
коэффициент усиления определяется выражениями

Ку = R10 / (R7 +Rвых дл) = R9 / (R8 + Rдл ст) , (4.2)

где Rвых дл, Rдл ст - эквивалентные сопротивления делителей выходного напряжения и напряжения стабилизатора (ИОНа).

Выражение (4.2) правомерно при равенстве эквивалентных сопротивлений делителей или, если

R7 >> Rвых дл; R8 >> Rдл ст. (4.3)

Зададимся током выходного делителя Iд = 0,4 мА. Тогда

R1 + R2 + R3 = Uн / Iд = 12 / 0,4 10-3 » 30 кОм.

Выбираем резисторы с одинаковыми сопротивлениями:= R2 = R3 = 10 кОм,

что обеспечит требуемый диапазон регулировки выходного напряжения с учетом возможных разбросом номиналов элементов.
Выходное сопротивление (его среднее значение) источника сигнала с выхода стабилизатора

Rвых дн = 0,5 (R1 + 0,5 R2) = 0,5 (10 + 0,5 * 10) » 7,5 кОм.

В качестве основного элемента источника опорного напряжения возьмем стабилитрон КС182Ж. Его параметры [5]:

Uст = 8,2 B; Iст мин = 0,5 мA;
Р = 125 мВт;Iст мак = 15 мА.
Для получения напряжения на делителе ИОН (резисторы R5 R6), равного Uн / 2

R6 / (R6 + R5) = Uн / (2 Uст) = 12 / (2 * 8,2) = 0,73.

Обозначим эту величину через р. С другой стороны, выходное сопротивление ИОН должно быть равно выходному сопротивлению делителя т.е.:

R5 R6 / (R6 + R5) = Rвых дн = 7,5 кОм.

Из этих выражений получаем:

R5 = 7,5 / 0,73 » 10 кОм,= Rвых дн / (1 - р) = 7,5 / (1 - 0,73) = 27,8 кОм Ю 27 кОм.

Ток через делитель стабилитрона R5 R6

Iд ст = Uст / (R5 + R6) = 8,2 / (10 + 27) » 0,22 мА.

Зададимся током стабилитрона Iст = 1,78 мА. Тогда

R4 = (Uн - Uст) / (Iст + Iд ст) = (12 - 8,2) / [(1,78 + 0,22) 10-3] » 1,9 кОм Ю 2 кОм.

Возьмем = R8 = 100 кОм,

что обеспечивает выполнение требований выражения (3.3).
Для получения необходимого коэффициента усиления сопротивление в цепи обратной связи

R9 = R10 = R7 * Ку = 100 * 14,4 = 1,44 МОм Ю 1,43 МОм.

В качестве операционного усилителя применим ИМС К140УД23 - быстродействующий ОУ с полевыми транзисторами на входе. Ее параметры, необходимые для обоснования выбора [6]:

КОУ > 50 000:КОСС > 80 дБ;вх > 100 МОм;Uсм < 2 мB;> 10 МГц.DIсм =2 10-10 A;син мак = 10 В;Uвых мак = 12 В;п = ±5 ... ±18 B;Iп = 3 мА.

Как видно из приведенных данных, ОУ допускает питание от однополярного источника напряжением 12 В, которые имеются в разрабатываемом стабилизаторе. В цепь обратной связи может быть включено сопротивление номиналом до 10 МОм, что больше выбранного.

.3 Генератор линейно изменяющегося напряжения

Схема генератора линейно изменяющегося напряжения треугольной формы изображена на рисунке 4.3. Он содержит два ОУ, первый из которых выполняет функции компаратора, второй - интегратора. Потенциометр R4 предназначен для регулировки амплитуды выходного треугольного сигнала, R5 - частоты следования.

Рисунок 4.3

Выбираем операционный усилитель К140УД23. Его параметры были приведены в предыдущем разделе. Также как для усилителя рассогласования питание осуществим от входного напряжения стабилизатора. Привязка выходного напряжения генератора к среднему уровню питающего напряжения реализована делителем из двух одинаковых резисторов R1 и R2, подсоединенных к выходному напряжению стабилизатора.

Длительность периода следования импульсов:

Т = 1 / fп = 1 / 40 103 = 25 мкс.

Сопротивления, подключенные к выходу компаратора, с одной стороны, являются его нагрузкой, с другой - определяют длительности перезаряда емкости. Минимальная величина будет у сопротивления R6, когда R5 будет выведен на минимум. Возьмем= 6,8 кОм.

Сопротивление R5 возьмем равным 2,2 кОм, что позволит уменьшить частоту следования импульсов более чем на 20%. Заданное значение частоты рассчитаем при среднем сопротивлении переменного резистора, т.е. при:

0,5 R5 + R6 » 7,9 кОм.

Напряжение на выходе компаратора DA1 меняется от примерно 1 до 11 В, т.е. примерно на 10 В. Отношение заданной величины амплитуды к этому изменению напряжения

a = Uамп / 10 = 2 / 10 = 0,1.

Полученное отношение определяет отношение резисторов в цепи обратной связи, охватывающей операционные усилители:

a = R7 / (R3 + R4)

Эти сопротивления могут быть большими, чтобы не создавать дополнительной нагрузки на ОУ. Возьмем = 91 кОм; R4 = 22 кОм; R7 = 10 кОм.

Тогда, чтобы разряд емкости С происходил за время tр = Т/2 = 12,5 мкс емкость конденсатора

С = tр / [a (R6 + 0,5 R5)] = 12,5 10-6 / (0,1 * 7,9 103) » 15,8 нФ Ю 15 нФ.

Ток перезаряда емкости:

IС = Uн / (R5 + R6) = 12 / 7900 » 1,5 мА.

Делитель напряжения питания, задающий среднее напряжение на инвертирующем входе DA1 и прямом DA2, образуем двумя одинаковыми резисторами= R2 = 15 кОм.

Ток в цепи этого делителя

I = Uн / (R1 + R2) = 12 / (15000 + 15000) » 0,4 мА,

что значительно больше входных токов ОУ.

.4 Компаратор

В качестве компаратора используем микросхему К554СА3. Ее параметры приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Параметры	Значение
Напряжение питания Еп номинальное минимальное максимальное	±15 В 5 В 36 В
Средний входной ток Iвх	100 нА
Время задержки включения/выключения, не более	200 нс
Длительность переключения, не более	0,1 мкс
Выходной ток	200 мА
Напряжение смещения нуля, не более	3 мВ
Ток потребления от источника питания	5 мА

Из этих данных следует, что для питания ИМС можно использовать напряжение с выхода стабилизатора.

Функциональная схема компаратора стабилизатора приведена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4

Микросхема используемого компаратора является ИМС с «открытым коллектором». На рисунке показан ее выходной транзистор, который необходимо подсоединить к положительному полюсу источника питания. Это соединение происходит через резистор R3, который также подключается к базе транзистора VT регулирующего элемента (РЭ). При закрытом транзисторе компаратора через него должен протекать ток базы насыщения (Iнас= 2,7 мА - см. раздел 2) транзистора VT и ток резистора R4. Приняв последний равным 0,1 Iнас находим:

R3 = Uп / (1,1 Iнас) = 12 / (1,1 * 2,7 10-3 ) = 4 кОм Ю 3,9 кОм;

Сопротивление резистора R4 было определено ранее (см. раздел 2) - 470 Ом.

Напряжение ГЛИН подается на неинвертирующий вывод ИМС через разделительную RС цепочку. Ее постоянная времени

t і 1 / (2 p fп) = 1 / ( 2 * p * 30 103) = 5 мкс.

Возьмем R2 = 4,7 кОм, С = 15 нФ.

Для уменьшения погрешности, обусловленной входными токами, сопротивление в цепи инвертирующего выхода возьмем равным R2, т.е.= R2 = 4,7 кОм.
5. КПД СТАБИЛИЗАТОРА

Ток потребления элементами схеме управления определяются суммой токов используемых микросхем, делителей и ИОНа:

ISп = S IИМС + S Iд + IИОН = 9 + 5 +1+ 2 = 18 мА.

Определим потери мощности в схеме управления:

Рс.у.= Uвх ISп = 9·* 17 ·10-3 » 0,15 Вт.

Из этого определяем коэффициент полезного действия стабилизатора:

hст = Uн Iн max / (Uн Iн max + PК + PД + PL + Pс.у) =

12 * 0,2 / (12 * 0,2 + 0,08 + 0,11 + 0,09 + 0,16) » 0,85.
6. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Принципиальная схема, рассчитанного усилителя приведена в приложении. Она получена в результате соединения схем силовой части и блока управления, расчеты которых приведены в предыдущих разделах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанный импульсный стабилизатор соответствует исходным данным. Он спроектирован на основе современных интегральных микросхем. Использованные элементы выбраны с учетом производственных запасов на основные эксплуатационные параметры, что должно обеспечить надежную работу стабилизатора.