- •Федеральное Агентство по Образованию
- •1. Общие сведения
- •1.1. Понятия об источниках вторичного электропитания (ивэ)
- •2. Стабилизаторы постоянного напряжения, их параметры
- •3. Проектирование интегрального стабилизатора напряжения на уровне инженерного синтеза схемы
- •3.1. Выбор функциональной схемы исн
- •3.2. Выбор основных функциональных узлов исн
- •3.2.1. Регулирующий элемент (рэ)
- •3.2.2. Источник опорного напряжения (ион)
- •3.2.3. Дифференциальный усилитель сигнала рассогласования
- •4. Проектирование исн на уровне анализа и расчёта принципиальной схемы
- •4.1. Выбор начального варианта схемы и ее анализ
- •4.2. Корректировка принципиальной схемы, расчёт цепей защиты
- •4.3. Расчет статического режима принципиальной схемы
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 выбрать рассмотренные выше схемы, а также раскрыть на схемотехническом уровне ИТ и УЗСР, то получим следующую схему:
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 – БКVT10 – ЭКVT8 – БЭVT13 – БЭVT14 – БЭVT19 – БЭVT20 – выход.
Расчет сопротивлений резисторов УЗСР:
Зададимся режимом:
Сопротивления резисторов:
Проведём оценку энергетических характеристик этой системы.
Схема позволяет обеспечить максимальный ток в нагрузке (Iн.макс=1 А). Рассмотрим максимальный входной ток РЭ:
.
Этот ток значительно меньше 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:
,
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
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: (см. приложение 1).
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.
Силовой ток нагрузки течет по цепи: вход – КЭVT23 – R15 – цепь нагрузки – общая шина. Сопротивление резистора R15 выбрано так, что , 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: . 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.
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.
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).