Размах пульсаций выходного напряжения определяется из со-

отношения 20lg(Uпр вх /Uпр вых) =КОПН, илиUпр вых = Uпр вх/10КОПН/20,

илиUпр вых = 6В /103 =6мВ.

Амплитуда напряжения пульсаций на выходе схемы

Uпm вых =(6/2) мВ =3мВ.

Среднеезначение напряжения на входе микросхемы

Uс ср = 14 В – Uпр вх/2 = (14 –3) В =11В.

Падение напряжения на микросхеме

∆U = Uс ср –Uст = 11 В – 5В = 6В.

Греющая мощность Ргр = ∆U Iн = 6В1А =6Вт.

Это достаточно большая греющая мощность. Ее можно уменьшить, если уменьшить U2. Тогда уменьшится нетолько U с ср, но и потребуется большая емкость конденсатора фильтра. Пульсации выходного напряжения также уменьшатся.

Если принять температуру окружающей средыТ0 = 50°С,а ра-

бочую температуру кристалла микросхемыТкр = 120°С, то требуемое термическое сопротивление участка "кристалл – среда" окажется равным RТ кр-с = (120–50)/6 ≈ 12 °С/Вт.

Если при этом, например, температурное сопротивление уча-

стка "кристалл – корпус" микросхемы RТ кр-к = 2 °С/Вт,тотермическое сопротивление теплоотвода должно быть неболее

RТ тпл = (12 – 2) °С/Вт = 10 °С/Вт.

Это условие может быть выполнено, если площадь теплоотвода

S≥ 1000/ RТ тпл = 1000/10 = 100 см2.

4.2.Импульсные стабилизаторы напряжений

4.2.1.Принцип действия

Возможность регулирования напряжения в преобразователяхза счет изменения отношения длительности импульса к длительности паузы позволяет построить на их основе импульсные стабилизаторы напряжения. Для этого, как и в случае линейных стабилизато-

ров, здесь реализуется принцип электронной следящей системы, который поясняет схема понижающего импульсного стабилизато-

ра напряжения (рис. 4.22).

В схеме управления (СХУ) выходное напряжениеUн стабилизатора поступает на инвертирующий вход операционного усилителя

129

1, на неинвертирующий вход которого подается фиксированное (регулируемое) опорное напряжение Uоп.

Рис. 4.22

В результате на выходе операционного усилителя формируется

сигнал ошибки ∆U1 = K (Uоп – Uн). Он поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 2.На его втор ой вход по-

дается напряжение U1, пропорциональное току в катушке. Оно формируется инструментальным усилителем 3, который воспри-

нимает падение напряжения на резисторе R, равное Ui = Iн R , при-

чем R << Rн.В усилителе 2 разностный сигналU1 и∆U1 усиливает-

ся и интегрируется, что позволяет выделить в напряжении U2 среднюю составляющую, поскольку сглаживаются пульсации на-

пряжения U1 (таким образом, осредняется информация о пульсациях тока в катушке).

Напряжение U2 формирует в устройстве У1 некоторое пороговое напряжение Uпго, соответствующее условию Uн = Uоп (рис.

4.23, а).

Тогда при номинальном входном напряженииUвх0 в устройстве

управления вырабатывается импульс напряжения, управляющего транзисторным ключом, соответствующий рабочему циклу

D = tин/tпн = Uоп/Uвх0.

При увеличении входного напряжения до величиныUвх= Uвх0+

+∆Uвх длительность рабочего цикла должна уменьшиться (пунктир на рис. 4.23, б). Наоборот, при уменьшении входного напряжения длительность управляющего импульса увеличивается. Так осуществляется стабилизация выходного напряжения.

130

Напряжение в данной схеме стабилизируется за счет использования в ней двух параллельных контуров отрицательной обратной связи. Внешний контур реализует обратную связь по напряжению. Внутренний контур осуществляет обратную связь по среднему

значению тока в катушке. Это позволяет существенно увеличить точность стабилизации напряжения при малых выходных токахи

быстродействие схемы, что важно при быстрых изменениях входного и выходного напряжений в режиме как прерывистого, так и непрерывного управления.

4.2.2. Устойчивостьимпульсныхстабилизаторовнапряжения

Наличие замкнутых контуров, обеспечивающих отрицательную обратную связь, означает возможность потери устойчивости в ста-

билизаторах напряжения. Приближенно качественно оценить устойчивость работыможно по схеме устройства на рис. 4.22.

131

Наличие в контуреLC-цепи означает,что логарифмическая ам- плитудно-частотная характеристика (ЛАХ) контура имеет вид, приведенный на рис.4.24. Ее наклон–40 дБ/дек начинается с час-

тоты среза fср = 1/2π LC . На частоте f1 – единичный коэффици-

ент передачи – наклон ЛАХ остается равным –40 дБ/дек. Как известно,такая системаобладает очень малым запасом устойчивости

по фазе,уменьшающимся с увеличением K.

Увеличение же K необходимо, поскольку оно гарантирует повышение точности стабилизации напряжения. Столь малый запас устойчивости по фазе может привести к потере устойчивости арботы из-за невозможности учесть паразитные эффекты в элемен-

тах контура электроннойследящейсистемы.

Как известно, устойчивая работа имеет место, если в окрестностях f1 наклон ЛАХ составит –20 дБ/дек. Это означает необходимость введения нуля в передаточную функцию контура. Введение нуля достигаетсяавтоматически. На рис. 4.25 представлена реальная схема LC-контура электронной системы.

20lgK K

–40 дБ/дек

0

С

Рис. 4.25

132

Обобщенную передаточную функцию схемы на рис. 425. можно рассматривать как произведение двух передаточных функций. Одна из них определяется контуром L-Rп-RL-C. В силу малости Rп иRL можно считать, что частота излома ЛАХ этого контура

Реальный конденсатор вносит в обобщенную передаточную функцию нуль на частоте

f2 = 1/2π RпC.

Очевидно, чтоfср << f2 , что подтверждает правомерность анализа. В результате ЛАХ разомкнутого контура электронной следящейсистемы приобретаетвид,приведенный на рис.4.26.

Принципиально такая ЛАХ соответствует устойчивой электронной следящей системе. При этом устойчивость зависит от окэффициента передачи разомкнутого контураиот частот fср иf2.

20lgK

K

–40 дБ/дек

–20 дБ/дек

0

–60 дБ/дек

Рис. 4.26

При построении реальных стабилизаторов напряжений это необходимо иметь в видупри выборе типаконденсатора С.

133

При построении микросхем управления, используемых в электронных системах стабилизаторов, введение нуля в передаточную функцию резонансного контура осуществляется охватом усилителя 2 (см. рис. 4.22) цепью R2–C1. Если учесть выходное сопротивление усилителя 3 (обозначим его через R3), то передаточная функция такого усилителя будет иметь вид

т.е. и здесь в передаточную функцию вносится нуль на частоте f2 = =1/2πR2C1.

4.2.3.Особенностивключениямикросхем импульсных стабилизаторов напряжения

Входнаяемкость. Настабильность работымикросхемы влияют емкость и тип входного конденсатора.Здесь желателенэлектролитический конденсатор емкостью в десятки микрофарад. Его выво-

ды должны быть минимальной длины,и он должен напаиваться возможно ближе к входным зажимам микросхемы.С понижением

температуры окружающей среды, как известно, емкость электролитических конденсаторов уменьшается, а сопротивление потерь растет. Это означает необходимость увеличения емкости входного

конденсатора при работе в диапазоне температур ниже –20°С. Стабильность работы микросхемы можно увеличить, если зашунтировать электролитический конденсатор керамическим высоко-

частотным. При выборе электролитического конденсатора следует иметь в виду, что действующее значение пульсирующего тока в

нем не должно превышать номинальное.

Индуктивность катушки. Импульсный стабилизатор напряжения может работать как в прерывистом, так и в непрерывном режимах. Разница между режимами определяется током катушки: течет ли он в ней непрерывно в течение периода коммутации или

падает до нуля до момента окончания паузы. Многие коммерчски доступные микросхемы могут использоваться как в том, так и в

другом режимах. Обычно в случае непрерывного режима работы пульсирующий ток в катушке – его размах – составляет порядка 20...30% от максимального тока нагрузки. При больших токах, отбираемых от стабилизатора, он работает в непрерывном режиме.

134

Однако при уменьшении отбираемых токов такой стабилизатор может перейти в режим прерывистой работы. Этот режим работы вполне приемлем. Более того, при токах нагрузки порядка 200 мА и меньше он целесообразен, поскольку позволяет обойтись меньшей индуктивностью катушки.

Катушки индуктивности изготавливают в разном конструктивном исполнении, в основном на сердечниках с большим удельным

электрическим сопротивлением (порошковые материалы). Самым дешевым является стержневойсердечник. В этом случаечасть высокочастотного потока замыкается по воздуху. Такая катушка индуктивности "шумит" и восприимчива к внешним электромагнитным полям. Дополнительно необходимо иметь в виду ее подмагничивание или даже насыщение сердечника постоянным по-

током, обусловленным средним током катушки. Катушка в режиме насыщения превращается, в конечном счете, в резистор. Ее индук-

тивность сводится к нулю. По этой причине катушки индуктивности необходимо выбирать с учетом вероятности их насыщения.

Пульсирующий ток катушки. Форма пульсирующей составляющей тока в катушке зависит от величины входного напряжения. Она может меняться от треугольной до пилообразной формы.

При номинальных значениях входного и выходного напряжений форма пульсирующего тока треугольная.

Однако с уменьшением тока нагрузкимгновенное значение минимального тока пульсаций в ней стремится к нулю– стабилизатор переходит в прерывистый режим работы. Эта ситуация может возникнуть даже при больших значениях индуктивности катушки. Особенность такого режима работы– увеличенный шум выходно-

го напряжения.

Выходную емкость, в основном, выбирают из соображений допустимых пульсацийвыходного напряжения. При этом имеется в виду, что основную долю пульсаций обусловливает сопротивление потерь в конденсаторе.Как правило,можно считать, что конденсаторы с емкостью в сотни микрофарад имеют большие сопротивления потерь. Пульсации напряжения в таких случаях могут составлять от 50 до 200 мВ. Используя конденсаторы большей емкости,

можно уменьшить потери до 20...70мВ.

Еще большее уменьшение пульсаций можно обеспечить применением специальных конденсаторов или параллельной комбинацией конденсаторов разных типов. Конденсаторы с очень малым

135