4. Проектирование исн на уровне анализа и расчёта принципиальной схемы.
4.1. Выбор начального варианта схемы и ее анализ
Если функциональную схему стабилизатора раскрыть на схемотехническом уровне, то есть в качестве РЭ, ДУ, ИОН подставить выбранные выше схемы, а также раскрыть на схемотехническом уровне ИТ и УЗСР и ввести дополнительные функциональные узлы (цепи защиты и коррекции), то получим полную принципиальную схему стабилизатора:
Функциональный состав схемы:
РЭ – VT19, VT20, R9;
ДУ сигнала рассогласования – VT4-VT14, VD3, R3;
ИОН – VT15-VT18, R4-R8;
Делитель выходного напряжения – R10, R11;
УЗСР – VT2, VD1, VD2, R1, R2; (VD1 – стабилитрон, UVD1=6.3 В); ИТ – VT1, VT3;
Стабилизация напряжения на выходе ИСН осуществляется за счет действия цепи общей ООС:
выход – R10 – б, к VT10 – э, к VT8 – б, э VT13 – б, э VT14 – б, э VT19 – б, э VT20 – выход.
Расчет сопротивлений резисторов УЗСР:
IVD1=0,1 мА,
Iэ2=1,8 мА,
Uвх.макс. = 30 В;
R1 = (Uвх.макс. - UVD1)/ IVD1=(30-6,3)/(0,1*10-3)=237 кОм
R2 = (UVD1- Uэб2-UVD2)/ Iэ2=(6,3-0,6-0,6)/(1,8*10-3)=2,8 кОм.
Оценка энергетических характеристик системы:
Схема позволяет обеспечить максимальный ток в нагрузке (Iн.макс=1 А). Рассмотрим максимальный входной ток РЭ:
Iвх.РЭ.макс= Iн.макс/(β19β20)=1,5/(50*100)=0,3 мА.
Этот ток меньше рабочего тока выходного транзистора VT14 ДУ (0.6 мА), следовательно, режим этого транзистора выбран правильно.
Оценим максимальную мощность рассеивания на стабилизаторе. Эта мощность в основном рассеивается на транзисторе VT20 при его работе в наиболее тяжелом энергетическом режиме. Если в ИСН ввести цепь защиты, ограничивающую выходной ток стабилизатора на уровне 1,2 А при коротком замыкании выхода на общую шину, то максимальная мощность, рассеивающаяся на VT20:
Pк20.макс= Iк*Uкэ= Iн.кз*Uвх.макс=1.2*30=36 Вт,
что нежелательно по конструктивным соображениям, так как требуется теплоотвод с большой площадью поверхности. Следовательно, для ИСН необходимо ввести цепь токовой защиты и защиты по мощности. Тогда
Pк20.макс=(Uвх.макс- Uвых)*Iн.п=(30-15)*1.2=18 Вт,
при этом габариты внешнего теплоотвода не будут чрезмерно большими.
4.2. Корректировка принципиальной схемы, расчёт цепей защиты
Если в вышерассмотренную схему стабилизатора ввести дополнительно цепь тепловой защиты, цепь токовой защиты и защиты по мощности, цепь коррекции, то получим окончательный вариант проектируемого ИСН: см. чертеж
Функциональный состав схемы:
РЭ – VT22, VT23, R14;
ДН – R16, R17;
ИОН – VT17-VT20, R7-R11;
ДУ – VT6-VT16, R5;
ИТ – VT1, VT5;
УЗСР – R1-R3, VD1, VD2, VT2;
Цепь тепловой защиты – R2-R4, VT3, VT4;
Цепь токовой защиты и защиты по мощности – R12, R13, R15, VT21, VD4;
Цепь коррекции – C1, R6.
Рассмотрим работу цепи защиты по току R12, R13, R15, VT21, VD4:
Силовой ток нагрузки течет по цепи: вход – к, э VT23 – R15 – цепь нагрузки – общая шина. Сопротивление резистора R15 выбрано так, что UVT21=Iн.макс*R15, т.е. рабочая точка VT21 находится в зоне нечувствительности (точка А кривой 1 входной характеристики биполярного транзистора на рис. ). Тогда при максимальном и меньших токах нагрузки элементы VT21, VD4, R12, R13, R15 практически не влияют на работу ИСН, так как в соответствии с входной характеристикой VT21 обесточен. Если ток нагрузки на 20-40% превышает Iн.макс, то транзистор VT21 входит в активный режим (точка А2 кривой 1 на рис.), появляется ток в его коллекторной цепи, и коллекторный ток VT5 начинает течь в коллектор VT21 вместо базы VT22, что приводит к ограничению базового тока VT22 РЭ, а следовательно и весь ток нагрузки на уровне: Iн.п= UVT21/R15 . Введение в схему элементов R12, VD4, R13 позволяет реализовать цепь защиты с уменьшением выходного тока при коротком замыкании выхода ИСН на общую шину. В режиме короткого замыкания значительно возрастает напряжение коллектор-эмиттер VT23, стабилитрон VD4 входит в режим стабилизации, появляется ток в цепи R12, VD4, увеличивается падение напряжения на R13, что приводит к уменьшению тока нагрузки ИСН. Таким образом, при срабатывании цепи токовой защиты включается контур местной ООС, ограничивающий ток нагрузки ИСН.
Расчет сопротивлений резисторов цепи токовой защиты:
Iн.п = 1,2 А, PИСН.кз = 12,5 Вт, IR12 = 2 мА, Uвх.макс = 30 В;
Iн.кз = PИСН.кз/ Uвх.макс = 18/30 = 0,6 А,
R15 = Uэб21/ Iн.п = 0,6/1,2 = 0,5 Ом,
R12 = (Uвх.макс -UVD4-Uэб21)/IR12 = (30-6.3-0,6)/(2*10-3) = 12 кОм,
R13 = (Uэб21- Iн.кз*R15)/IR12 = (0,6-0,6*0,5)/(2*10-3) = 150 Ом.
Цепь тепловой защиты R2-R4, VT3, VT4 функционирует следующим образом:
В качестве температурно-чувствительного элемента в цепи тепловой защиты выбирается переход эмиттер-база VT3. При нормальной температуре кристалла (T=20°C) UR2=UэбVT3 выбирается таким, чтобы рабочая точка VT3 лежала в зоне нечувствительности (точка А на рис. ), тогда VT3 и связанный с ним VT4 не будут влиять на работу схемы ИСН, так как будут практически полностью обесточены. При температуре кристалла, близкой к предельной (150°С), напряжение UR2 практически не изменится, но VT3 войдет в активный режим (точка А1 на рис.), так как с ростом температуры входная характеристика биполярного транзистора сдвигается в сторону оси ординат. При этом появляются эмиттерный и коллекторный токи VT3, следовательно, возникает падение напряжения на R4, которое открывает VT4. Появляются эмиттерный и коллекторный токи VT4, и весь коллекторный ток VT5 течет в цепь коллектора VT4 вместо базы VT22, следовательно, обесточивается РЭ. С РЭ снимается большая мощность, разогревающая кристалл изнутри.
Расчет сопротивлений резисторов цепи тепловой защиты и УЗСР:
Uэб3 = Uэб4 = 0,4 В;
Iэ2 = 1,8 мА, Iэ3 = 0,1мА;
R2= Uэб3/Iэ2=0,4/(1,8*10-3)=220 Ом
R3+R2=2,8 кОм (см. п. 4.1.)
R3=2,6 кОм
R4= Uэб4/Iэ3=0,4/(10-4)=4 кОм.
Корректирующая цепь C1, R6 предназначена для обеспечения устойчивости ИСН. Она подключается к наиболее высокому узлу ИСН по отношению к общей шине (база VT15), что позволяет сформировать желаемую частотную характеристику ИСН при сравнительно небольшой емкости С1. Если её исключить, то на выходе стабилизатора могут возникнуть незатухающие колебания.
Параметры: C1=200 пФ, R6=1 кОм.