
- •Общие сведения об источниках вторичного электропитания (ивэп)
- •Стабилизаторы постоянного напряжения и их параметры
- •Проектирование интегрального стабилизатора напряжения (исн) на уровне инженерного синтеза схемы
- •Выбор функциональной схемы исн
- •Выбор основных функциональных узлов исн
- •Регулирующий элемент
- •Источник опорного напряжения
- •Дифференциальный усилитель сигнала рассогласования
- •Проектирование исн на уровне анализа и расчёта принципиальной схемы
- •Выбор начального варианта схемы и ее анализ
- •Корректировка принципиальной схемы. Расчёт цепей защиты
- •Расчет статического режима принципиальной схемы
- •Заключение
-
Проектирование исн на уровне анализа и расчёта принципиальной схемы
-
Выбор начального варианта схемы и ее анализ
-
Начальный вариант схемы реализуется раскрытием на схемотехническом уровне схемотехническом уровне функциональной схемы (см. схему п. 3.1). Причём, в качестве РЭ выбирается составной транзистор (см. схему п. 3.2.1), в качестве ИОН – схему п. 3.2.2, в качестве ДУ схему п.3.2.3. В результате получаем схему, для которой известны сопротивления всех резисторов, кроме R1 и R2.
Определим сопротивления резисторов R1 и R2, задавшись следующим режимом:
.
;
.
Проведём оценку
энергетических характеристик этой
схемы. Сначала убедимся, что схема
позволяет обеспечить максимальный ток
в нагрузке
.
Для этого определим максимальный входной
ток РЭ:
.
Этот ток значительно
меньше рабочего тока выходного транзистора
ДУ VT14
,
следовательно, режим этого транзистора
по току выбран правильно.
Оценим максимальную
мощность рассеивания на стабилизаторе.
Эта мощность в основном рассеивается
на транзисторе VT23 при его работе в
наиболее тяжёлом энергетическом режиме.
Предположим, что в стабилизатор введена
цепь защиты, ограничивающая его выходной
ток на уровне
при коротком замыкании выхода на общую
шину. В этом режиме на транзисторе VT23
рассеивается максимальная мощность
,
что нежелательно по конструктивным соображениям, так как требуется теплоотвод с большой площадью поверхности. Следовательно, в схему ИСН необходимо ввести цепь защиты с уменьшением выходного тока при коротком замыкании выхода. В этом случае максимальная мощность рассеивания на транзисторе определяется соотношением
;
при этом габариты внешнего теплоотвода не будут чрезмерно большими.
-
Корректировка принципиальной схемы. Расчёт цепей защиты
Полную принципиальную схему ИСН получаем, вводя в схему, полученную в разделе 4.1. дополнительные функциональные узлы: цепи токовой и тепловой зашиты, цепь коррекции.
Полная принципиальная схема ИСН имеет следующий функциональный состав:
РЭ: |
VT22, VT23, R14 |
ДУ: |
VT6 – VT16, VD3 |
ИОН: |
R7 - R11, VT17 – VT20 |
ИТ: |
VT1, VT5 |
Цепь коррекции: |
C1, R6 |
Узел задания статического режима: |
R1, R2, R3, VD1, VD2,VT2 |
Цепь тепловой защиты: |
R2, VT3, R4, VT4 |
Цепь токовой защиты и защиты от перегрузок по мощности: |
VT21, VD4, R12, R13, R15 |
Делитель выходного напряжения: |
R16, R17 |
Сопротивление нагрузки: |
Rн |
Цепь тепловой
защиты работает следующим образом. Весь
интегральный стабилизатор реализуется
в одном кристалле кремния. В качестве
термочувствительного элемента,
реагирующего на повышение температуры
кристалла, выбирается переход эмиттер-база
транзистора VT3. Из физики биполярного
транзистора известно, что входная
характеристика транзистора
имеет зону нечувствительности порядка
и
при повышении температуры сдвигается
параллельно самой себе влево с
температурным коэффициентом
.
Поэтому напряжение
выбираются таким образом
,
чтобы при нормальной температуре
рабочая точка транзистора VT3 была в зоне
нечувствительности – точка А. При этом
транзистор VT3 практически полностью
обесточен
,
а следовательно обесточен и транзистор
VT4. Таким образом, при нормальной
температуре цепь тепловой защиты не
влияет на работу стабилизатора.
Предположим, что
температура кристалла приблизилась к
максимально допустимой:
,
при этом рабочая точка транзистора VT3
перешла в положение А1, т.е. транзистор
VT3 переходит в активный режим, появляются
эмиттерный и коллекторный токи. При
этом на резисторе R4 создаётся падение
напряжения, которое открывает транзистор
VT4. Появляется коллекторный ток
.
Весь коллекторный ток транзистора VT5
начинает течь в коллектор транзистора
VT4, а не в базу транзистора VT24 регулирующего
элемента. РЭ обесточивается и рассеиваемая
на нём мощность перестаёт разогревать
кристалл изнутри. Таким образом,
срабатывание цепи тепловой защиты
ликвидирует внутренний разогрев
кристалла.
Сопротивления резисторов R2, R3, R4 УЗСР и цепи тепловой защиты можно найти из следующих соотношений:
;
;
;
.
В предположении,
что резистор R13 зашунтирован, а элементы
R12, VD4 – отсутствуют, цепь токовой защиты
работает следующим образом. Ток нагрузки
течёт по цепи: вход – КЭ VT23 – R15 – Rн –
общая шина. Этот ток создаёт на резисторе
R15 падение напряжения
.
Пока ток нагрузки меньше максимально
допустимого, падение напряжения
невелико, и рабочая точка транзистора
VT21 находится в зоне нечувствительности
входной характеристики. Таким образом,
в нормальном режиме транзистор VT21
обесточен, и токовая защита не влияет
на работу стабилизатора. Если ток
нагрузки
стал на
больше тока
,
то транзистор VT21 переходит в активный
режим, появляются эмиттерный и коллекторный
токи:
.
Ток коллектора транзистора VT5 вместо
того, чтобы течь в базу транзистора
VT22, как раньше, начинает течь в коллектор
транзистора VT21. При этом, эмиттерные и
коллекторные токи транзисторов VT24, VT22
и VT23 ограничиваются, а, следовательно,
ограничивается и ток нагрузки, что
спасает транзистор VT23 от токового
пробоя.
Введение в схему элементов R12, VD4, R13 позволяет реализовать цепь защиты с уменьшением выходного тока при коротком замыкании выхода стабилизатора на общую шину. Действительно, в режиме КЗ значительно возрастает напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT23, стабилитрон VD4 входит в режим стабилизации, появляется ток в цепи R12, VD4, увеличивается падение напряжения на резисторе R13, что приводит к уменьшению тока нагрузки стабилизатора.
Введение в схему элементов R12, VD4, R13 позволяет реализовать цепь защиты с уменьшением выходного тока при коротком замыкании выхода стабилизатора на общую шину. Действительно, в режиме короткого замыкания значительно возрастает напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT23, стабилитрон VD4 входит в режим стабилизации, появляется ток в цепи R12, VD4, увеличивается падение напряжения на резисторе R13, что приводит к уменьшению тока нагрузки стабилизатора.
Расчёт сопротивлений резисторов R12, R13, R15 цепи токовой защиты проведём, задавшись следующими исходными данными:
Тогда из достаточно простых соотношений получаем: