4. Проектирование исн на уровне анализа и расчёта принципиальной схемы

4.1. Выбор начального варианта схемы и ее анализ

Если функциональную схему (рис.5) стабилизатора раскрыть на схемотехническом уровне, то есть в качестве РЭ взят составной транзистор (рис 6б), в качестве ДУ взять схему рис 8. В качестве источника опорного напряжения взять схему рис. 7. А также раскрыть на функциональном уровне УЗСР (узел задания статического режима), ИТ и ввести дополнительный функциональные узлы: узел тепловой защиты, цепь коррекции, узел защиты по току и мощности, то получим полную принципиальную схему стабилизатора, представленную на рис. 9.

Рис. 9

Функциональный состав схемы:

Регулирующий элемент– VT19, VT20, R9;

Дифференциальный усилитель сигнала рассогласования – VT4-VT14, VD3, R3;

Источник опорного напряжения – VT15-VT18, R4-R8;

Делитель выходного напряжения – R10, R11;

Узел задания статического режима – VT2, VD1, VD2, R1, R2; (VD1 – стабилитрон, U_VD1=6.3 В)

ИТ – VT1, VT3;

Стабилизация напряжения на выходе ИСН осуществляется за счет действия цепи общей отрицательной обратной связи: 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:

I_VD1=0,1 мА,

I_э2=1,8 мА,

U_вх=В,

R1=кОм

R2=кОм.

Проведём оценку энергетических характеристик этой системы.

Схема позволяет обеспечить максимальный ток в нагрузке (I_н.макс=3 А). Рассмотрим максимальный входной ток РЭ:

I_{вх.РЭ.макс}= мА.

Этот ток значительно не превышает рабочего тока выходного транзистора VT14 ДУ (0.6 мА), следственно, 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:

P_{к20.макс}= I_кU_кэ= I_н.кзU_{вх.макс}=1.2*13=15,6 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

P_{к20.макс}=(U_{вх.макс}- U_вых) I_н.п=(13-5)1.2=9,6 Вт,

при этом габариты внешнего теплоотвода не будут чрезмерно большими.

В базовой схеме отсутствует целый ряд цепей, которые не оказывают существенного влияния на основные параметры К_ст и R_вых стабилизатора, но необходимы для его нормального функционирования. В ИСН необходимо ввести цепи коррекции, обеспечивающие его устойчивость, а также цепи защиты от перегрузки стабилизатора по выходному току и устройство тепловой защиты. Эти цепи вводятся на этапе корректировки принципиальной схемы.

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: (см. приложение 1)

Рис. 10

Функциональный состав схемы:

Регулирующий элемент – VT22, VT23, R14;

Делитель выходного напряжения – R16, R17;

Источник опорного напряжения – VT17,VT18,VT19,VT20, R7,R8,R9,R10,R11;

Дифференциальный усилитель – VT6,VT7,VT8,VT9,VT10,VT11,VT12,VT13,VT14,VT15,VT16, VD3;

Источник тока – VT1, VT5;

Узел задания статического режима – 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 U_VT21=I_н.максR15, т.е. рабочая точка VT21 находится в зоне нечувствительности (точка А кривой 1 входной характеристики биполярного транзистора на рис. 11). 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 I_н.макс, то транзистор VT21 входит в активный режим (точка А2 кривой 1 на рис. 11), 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: . Введение в схему элементовR12, 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:

I_н.п=1,2 А, P_ИСН.кз=9,6 Вт, I_R12=2 мА, U_{вх.макс}=13 В;

А

Ом

кОм

Ом.

Цепь тепловой защиты R2, R4, VT3, VT4 функционирует следующим образом.

Вкачестве термочувствительного элемента, следящего за температурой кристалла ИОН используется эмиттер-базаVT3. Из физики биполярного транзистора известно:

1. с ростом температуры входная характеристика сдвигается параллельно сама себе, в сторону оси ординат с температурным коэффициентом –2 мВ/С;

2. входная характеристика имеет зону нечувствительности, которая, как правило, соответствует 0.4 - 0.5 В для кремниевых транзисторов при нормальной температуре (см. рис. ).

Эти два свойства используются при построении цепи тепловой защиты. Напряжение U_R2=U_эб.VT3 выбирается таким образом, чтобы рабочая точка транзистора VT3 при нормальной температуре кристалла (t=20°C) лежала в зоне нечувствительности (см. точку А1 на рис. ). При этом VT3 и следовательно VT4 будут практически полностью обесточены, а значит при нормальной температуре тепловая защита не влияет на работу схемы, что хорошо.

I_э

T₂ > T₁

э

U_эбб

A₂

A₃

A₁

0

0.4 – 0.5 В

Рис. 11

Когда температура кристалла возрастает становится близкой к предельной t_п =150С рабочая точка транзистора VT3 переходит из положения A₁ в A₂. При этом появляются эмиттерный и коллекторный токи VT3 (текут вниз), возникает падение напряжения на сопротивлении R4 (+ вверху), который открывает транзистор VT4 (направление вниз). При этом весь коллекторный ток VT5 вместо того, чтобы течь в базу транзистора VT22 РЭ, начинает течь в коллектор транзистора VT4, при этом РЭ VT22, VT23 полностью обесточивается и перестает разогревать кристалл изнутри. Но тепловая защита не холодильник и если температура окружающей среды превысит 150С, то кристалл сгорит.

Если R13 зашунтирован, R12, VD12 исключены из схемы, то цепь токовой защиты VT21, R15 работает следующим образом.

U_эб.VT21=U_R15

U_R15 =

Если ток нагрузки I_н < I_{н. макс.} , то падение напряжения U_R15 равное U_эбVT21 таково, что рабочая точка VT21 лежит в зоне нечувствительности (см. точка А1), если, например, уронили пинцет между выходом и общей шиной (КЗ), то ток нагрузки резко увеличится, то резко увеличится U_R15 и рабочая точка VT21 переходит в точку A3, при этом появляются эмиттерные и коллекторные токи у VT21. При этом часть коллекторного тока VT5 начинает течь не в базу VT22 РЭ, а в цепь коллектора VT21. При этом эмиттерные и коллекторные токи VT22, VT23, а следовательно и ток нагрузки I_н ограничивается, и стабилизатор защищается от перегрузки по току.

Расчет сопротивлений резисторов цепи тепловой защиты и УЗСР:

U_эб3=U_эб4=0,4 В;

I_э2=1,8 мА, I_э3= 0,1мА;

Ом

R3+R2 = 10,99 кОм

R3 = 10,99-R2 = 2,6 кОм

кОм.

Корректирующая цепь C1, R6 предназначена для обеспечения устойчивости ИСН, как системы с ООС. 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, т.е. стабилизатор потеряет устойчивость (СН превратится в генератор, что плохо).

Параметры: C1=200 пФ, R6=1 кОм.