4. Проектирование исн на уровне анализа и расчёта принципиальной схемы

   1. 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.

2. 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: