Методические_указания_к_КП_МЭП_v1_2

Объяснить принцип работы линейного стабилизатора весьма просто.

Представим себе схему, изображённую на рисунке 2:

Примечание: Все иллюстрации выполнены в KiCad

Рисунок 2. Схема снижения напряжения посредством резистора

На рисунке изображена схема, состоящая из последовательно соединённых батарейки, резистора и лампочки. В ней ток, текущий от батарейки через резистор и лампочку, вызывает падение напряжения на резисторе, благодаря чему напряжение на выводах лампочки, уменьшается.

Напряжение на лампочке можно найти по простой формуле:

Из формулы видно, что напряжение на лампе будет непосредственно зависеть от её сопротивления, что является недостатком схемы – для поддержания требуемого напряжения на лампе резистор R1 требуется рассчитывать исходя из параметров нагрузки, в данном случае, лампы.

11

Схема линейного транзисторного стабилизатора работает аналогично,

но лишена этого недостатка за счёт того, что вместо обычного постоянного резистора в ней применён транзистор, способный менять своё сопротивление под воздействием управляющего сигнала. Принцип действия схемы изображён на рисунке 3:

Рисунок 3. Эквивалентная схема линейного стабилизатора напряжения

В такой схеме вместо постоянного резистора установлен элемент с сопротивлением, значение которого является функцией от напряжения на нагрузке. Если напряжение на нагрузке по какой-либо причине увеличивается,

схема автоматически увеличивает сопротивление для минимизации этого влияния и наоборот.

В такой схеме напряжение на лампе всегда будет постоянное вне зависимости от текущего через неё тока.

Достоинствами линейного стабилизатора является простота, малое количество деталей, низкая цена и отсутствие импульсных помех.

Недостатками – низкий КПД и, следовательно, сильный нагрев.

12

Таким образом, линейные стабилизаторы целесообразно применять для питания маломощных чувствительных к помехам нагрузок при условии, что КПД преобразования не является приоритетным в отличии от простоты и дешевизны решения.

Теперь разберём подробно схему и расчёт линейного стабилизатора напряжения на основе NPN-транзистора. Схема стабилизатора представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема линейного стабилизатора напряжения

Схема на рисунке состоит из двух конденсаторов, двух резисторов,

одного стабилитрона и одного транзистора, так что считается весьма простой.

Конденсаторы С1 и С2 являются сглаживающими, они фильтруют разнообразные помехи и обеспечивают хорошее качество питания. Основным элементом является транзисторный ключ VT1, который играет роль переменного резистора. Стабилитрон VD1 определяет выходное напряжение,

резистор R1 задаёт ток стабилизации, т.е. ток, текущий через стабилитрон для его оптимальной работы, а резистор R2 – нагрузочный. Он обеспечивает небольшую нагрузку на выходе преобразователя даже в случае, если его выход остаётся никуда не подключённым.

13

Принцип работы схемы, следующий: при подаче питания напряжение

Uвх, сглаживаемое конденсатором C1, поступает на последовательно соединённые резистор R1 и стабилитрон VD1, через них течёт ток стабилизации. Как известно, стабилитрон представляет собой диод с строго определённым падением напряжения на нём. На стабилитроне VD1 падает определённое напряжение согласно документации на него. Транзистор,

управляемый этим напряжением, открывается ровно на столько, чтобы на выходе схемы напряжение соответствовало напряжению падения на стабилитроне. В случае увеличения нагрузки транзистор автоматически уменьшит своё сопротивление для поддержания выходного напряжения на должном уровне.

Порядок расчёта стабилизатора напряжения:

1.Определяется марка стабилитрона в зависимости от требуемой точности и выходного напряжения. Например, если расчётное выходное напряжение схемы составляет 5 В, стабилитрон следует брать на 5.1 В

или 5.6 В (для небольшого запаса). Мощность стабилитрона для такой схемы особого значения не играет. Марки стабилитронов указаны в Приложении 2.

2.Для стабилитрона выбранной марки по технической документации узнаётся его номинальный ток стабилизации, т.е. ток, при котором стабилитрон лучше всего работает. Может быть дан «тестовый ток», при котором производилось испытание стабилитрона или ток стабилизации в определённых пределах (например, от 5 до 15 мА). В последнем случае следует брать среднее значение в диапазоне.

3.Зная ток стабилизации стабилитрона и падение напряжения на нём,

находим резистор R1:

4.Находим выделяемую на нём мощность и определяем, резистор какой номинальной мощности следует взять.

5.Номинал нагрузочного резистора следует выбрать из расчёта что бы на нём выделялась мощность 0.25 Вт.

6.Конденсатор С1 взять 100 мкФ, С2 – 1 мкФ

Расчёт импульсных преобразователей напряжения

Принцип работы схемы импульсного преобразователя значительно отличается от линейного, так как он сложнее, но, в то же время, имеет лучшие параметры. Так как полный расчёт схемы преобразователя напряжения представляет собой сложную задачу с большим количеством параметров и вычислений, в рамках данного курсового проекта предполагается упрощённый расчёт – определение ёмкости частотозадающего конденсатора,

шунтового резистора и номиналов цепи обратной связи.

15

Рисунок 5. Понижающий преобразователь на МС34063

К счастью всех занимающихся электроникой, промышленность выпускает микросхему MC34063 (отечественный аналог - К1156ЕУ5),

представляющую собой управляющий контроллер импульсного DC-DC

преобразователя. Эта микросхема удобна тем, что лишает инженера-

разработчика необходимости собирать сложную схему на дискретных электронных компонентах, достаточно просто «обвесить» микросхему пассивными компонентами (конденсаторами и резисторами), подключить к ней дроссель L1 вместе с диодом D1 и преобразователь напряжения будет работать. Рассмотрим микросхему подробнее:

Микросхема выпускается в восьмивыводном корпусе для поверхностного (SOIC-8) или выводного (DIP-8) корпуса.

16

Выводы микросхемы:

1.SWC (switch collector) — коллектор выходного транзистора

2.SWE (switch emitter) — эмиттер выходного транзистора

3.Tc (timing capacitor) — вход для подключения времязадающего конденсатора

4.GND — земля

5.CII (comparator inverting input) — инвертирующий вход компаратора

6.Vcc — питание

7.Ipk — вход схемы ограничения максимального тока

8.DRC (driver collector) — коллектор драйвера выходного транзистора (в качестве драйвера выходного транзистора также используется биполярный транзистор)

Алгоритм работы схемы с рисунка 5 следующий: питание приходит через сглаживающий конденсатор С3, ток течёт через резистор Rsc,

внутренний транзистор микросхемы (выводы SwC и SwE) и катушку L1. В том такте, когда выходной транзистор микросхемы открыт, вывод 1 соединён с выводом 2 и ток течёт через него и катушку на выход. Затем транзистор закрывается, ток резко прекращается и импульс самоиндукции катушки

«опираясь» на диод VD1, продолжает заряжать выходной конденсатор. В

зависимости от времени, в течение которого внутренний транзистор микросхемы открыт, и частоты коммутации, напряжение на выходном конденсаторе может меняться от 0 В до напряжения питания.

При этом частота переключений задаётся конденсатором С1,

ограничение по току задаётся резистором Rsc а выходное напряжение определяется отношением резисторов R1 и R2.

17

Расчёт схемы:

1.Определение номинала частотозадающего конденсатора. Номинальная частота работы схемы (по документации – от 25 до 100 кГц) обычно выбирается разработчиком, в данной работе она дана в таблице 1. Ёмкость считается по формуле:

2.Определение сопротивления шунтового резистора. Этот резистор служит для ограничения максимального тока, текущего через микросхему, для защиты её от повреждения. Микросхема измеряет падение напряжения на нём и в случае превышения тока включает ограничение. Так как в нашем случае в роли силового транзистора используется внутренний транзистор микросхемы (максимальный ток Iимп = 1.5 А), то это сопротивление считается по следующей формуле:

3.Определение номиналов резисторов обратной связи. Именно от их соотношения напрямую зависит выходное напряжение всего преобразователя. Формула для расчёта выходного напряжения:

Коэффициент 1,25 в этой формуле – напряжение, при появлении которого на входе 5 CII микросхема начинает снижать мощность. Номиналы резисторов нужно выбрать из стандартного ряда (Е48) так что бы то через них не был чрезмерно большим.

18

Номиналы катушки, конденсаторов С2 и С3 и тип диода VD1 в данной работе не рассчитываются.

II ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ

Генератор тактовых импульсов, исследуемый в данной работе, является важной частью цифрового устройства, задающей ритм его работы. Именно на его сигнал синхронизируются все такты работы многоактной комбинационной логической схемы. Генераторы могут быть построены на основе различных схем, в курсовом проекте в соответствии с вариантом производится расчёт генератора по одной из двух схем – генератор на микросхеме NE555 или генератор на триггере Шмидта. Обе схемы имеют свои достоинства и недостатки и студенту предлагается выбрать оптимальную для его варианта.

Интегральный таймер NE555

Интегральная микросхема NE555 была разработана американской компанией Signetics. Ганс Камензинд, специалист из Signetics, смог внедрить свои идеи и в 1970 году представил устройство, которое тогда не имело аналогов. Микросхема NE555 обладала высокой плотностью монтажа и оставалась доступной по цене, что сделало ее исключительной в своем роде в те времена, когда любая микроэлектроника была очень дорогая.

19

Рисунок 6. Разные версии микросхемы NE555

В СССР выпустили аналог микросхемы NE555 под названием КР1006ВИ1. В ней вход останова (вывод 6) имел приоритет над входом запуска (вывод 2), в то время как в импортных аналогах других фирм такой особенности не было. Этот факт следует учитывать при разработке схем, в

которых активно используются оба эти входа. Но в большинстве случаев приоритеты не влияют на работу устройства.

Рисунок 7. Выводы микросхемы

В целях экономии энергии, еще в 70-х годах была создана версия таймера NE555 на базе КМОП-серии. В нашей стране она получила название

КР1441ВИ1. 555-й таймер нашел широкое применение в построении схем

20