Потужний ІМПУЛЬСНИЙ СТАБІЛІЗАТОР ПОСТІЙНОГО НАПРУЖЕННЯ

Серед імпульсних стабілізаторів напруги особливий клас утворюють пристрої з широтно-імпульсним (ШИ) принципом регулювання вихідної напруги. Їх відмітна властивість – постійність рівня пульсації у всьому інтервалі струму навантаження. Можлива синхронізація стабілізатора разом з Піта цифровими пристроями, що дозволяє у ряді випадків спростити вирішення питання про їх сумісність.

Стабілізатор призначений для живлення радіоелектронної апаратури виконаної на цифрових мікросхемах. Він має м'який запуск без викидів вихідної напруги, двуступенную захист за навантажувальною току з автоматичним поверненням в робочий режим після зняття перевантаження і здатний тривалий час перебувати в режимі замикання вихідний ланцюга.

На рис. 1 зображена принципова схема стабілізатора.

На елементах DD1.I, DDI.2 виконаний тактовий генератор прямокутних імпульсів. Ланцюг, що складається з резистора R9 і вхідний ємності елемента DD2.2, створює певну часову затримку імпульсів. Таким чином, на виході елемента DD2.2 діє сигнал прямокутної форми, затриманий щодо сигналу на виході елемента DD1.1 на 0,4 … 0,5 мкс.

Вузол широтно-імпульсного регулювання побудований на елементах DD1.3, DD2.1, DD2.2 і DD3.1 тригері. Імпульси управління ключовим елементом стабілізатора формує тригер DD3.1. По фронту затриманого імпульсу генератора тригер перемикається в одиничне стан. Ланцюг R2C2 формує на верхньому за схемою вході елемента DD2.1 трикутні імпульси напруги з амплітудою близько 100 мВ. Тригер перемикається в стан 0 по входу R.

При запуску вихідна напруга в перший момент дорівнює нулю і на вході (висновок 2) елемента DD2.1 діють тільки трикутні імпульси, амплітуда яких менше порогового напруги елементу (для застосовуваних в стабілізаторі КМОП мікросхем воно дорівнює 0,55 … 0,6 від їх напруги живлення). На нижньому вході елемента DD1.3 діє одиничний сигнал і тригер DD3.1 переключається в нульове стан при появі сигналу низького рівня на виході елемента DD1.1. При цьому тривалість одиничного стану тригера DD3.1 максимальна і близька до напівперіод коливань генератора, що відповідає максимальному часу відкритого стану ключового елементу.

Коли вихідна напруга досягне зони регулювання, напруга на верхньому вході елемента DD2.1 буде встигати збільшуватися до порогового значення раніше, ніж з'являється спад імпульсу на верхньому вході елемента DD1.3, і тривалість одиничного стану тригера DD3.1 зменшується до значення в усталеному режимі. З цього моменту збільшення вихідної напруги припиняється – пристрій переходить в режим стабілізації.

Якщо з яких-небудь причин (наприклад, в різке зменшення струму навантаження) вихідна напруга збільшується, то одиничний вихідний імпульс тригера стає ще коротше і вихідна напруга стабілізатора знову наближається до свого сталому значенню.

Вихід вузла ШИ регулювання підключений до входу підсилювача імпульсів на транзисторах VT2, VT3, який представляє собою керований генератор стабільного струму з трансформаторним виходом. Струм через вторинну обмотку трансформатора ТЗ визначається опором резистора R11 і дорівнює приблизно 1,5 А. Управління ключовим транзистором VT4 від генератора струму дозволяє форсувати процеси його перемикання і отримати мале значення напруги насичення.

При одиничному стані тригера DD3.1 генератор струму забезпечує сталість струму через первинну обмотку трансформатора ТЗ протягом вихідного імпульсу вузла регулювання. У первинній обмотці з'являється лінійно збільшується складова струму намагнічування. Індуктивність первинної обмотки трансформатора ТЗ обрана такою, щоб максимальне значення струму намагнічування не перевищувало 10 … 15% від струму колектора транзистора VT2. Таким чином, струм бази транзистора VT4, поки він відкритий, залишається практично незмінним.

Після того, як транзистор VT2 закриється, трансформатор ТЗ відключається від джерела живлення і складова струму намагнічування починає зменшуватися, протікаючи по ланцюгу VD8VD9R15. Це призводить до зміни полярності напруги на обох обмотках трансформатора. Подача негативного напруги на емітерний перехід транзистора VT4 забезпечує форсоване його закривання.

Технічні характеристики

Вхідна напруга, В … … … … .. 21 … 34

Вихідна напруга, В … … … … .. 5

Струм спрацювання пристрою захисту, А ….. 17 ± 1

Розмах напруги пульсацій на виході при струмі навантаження 15 А у всьому інтервалі значень вхідної напруги, мВ, не більше … … .. 30

Межі зміни вихідної напруги при зміні струму навантаження від 1 до 15 А та вхідної напруги від 21 до 34 В, В … … …. 4,9 … 5,1

Робоча частота, кГц. … … … … … … 30

Коли транзистор VT4 закритий, до дроселі L3 прикладена різниця вхідної і вихідної напруги, і струм через нього збільшується. Після закривання транзистора VT4 струм у дроселі не може перерватися миттєво, тому відкриваються діоди VD11, VD12, утворюючи ланцюг для протікання струму. При зазначеному значенні індуктивності амплітуда змінної складової струму дроселя (а отже, і конденсаторів С10-С13 фільтра) дорівнює 3 А при середньому значенні струму до 15 А. Для того, щоб зменшити пульсації вихідної напруги, необхідно набирати фільтр паралельним з'єднанням декількох конденсаторів. Для кращого згладжування встановлений додатковий фільтр L4C14, що зменшує амплітуду пульсацій у 3 … 5 разів і що перешкоджає проникненню високочастотних перешкод в навантаження.

Для зменшення динамічних втрат в транзисторі VT4 при його перемиканні в пристрій введені додаткові елементи Т2, VD5, С7, L2 і ланцюг C9R16VD10. У кожному періоді роботи пристрою при відкриванні транзистора VT4 напругу його насичення досягає свого усталеного значення за кілька десятків наносекунд. Діод VD10 при цьому закритий і не впливає на швидкість зменшення цієї напруги. Струм колектора транзистора VT4 збільшується зі швидкістю, яка визначається індуктивністю первинної обмотки трансформатора Т2 і досягає значення 12 … 15 А за час близько 2 мкс. Таким чином, збільшення колекторного струму транзистора VT4 відбувається при малому значенні його напруги насичення, що різко зменшує динамічні втрати в транзисторі при його відкриванні. Після закінчення зазначеного часу магнітопровода трансформатора Т2 насичується, напруга на його обмотках зменшується до нуля і до кінця періоду він не впливає на роботу стабілізатора.

При закриванні транзистора VT4 напругу на обмотках трансформатора T2 змінює знак, відкривається діод VD5 і енергія, запасеної в трансформаторі, перетвориться в заряд конденсатора С7. Одночасно з цим починає збільшуватися напруга між колектором і емітером транзистора VT4, відкривається діод VD10, підключаючи паралельно цьому транзистору конденсатор С9. Тепер швидкість збільшення напруги на транзисторі визначає ємність конденсатора С9 (час збільшення – близько 1 мкс). При черговому відкритті транзистора VT4 цей конденсатор розряджається через резистор R16.

Основною ланкою системи захисту є датчик струму навантаження, виконаний на трансформаторі струму Т1. Одиничним сигналом тактового генератора тригер пристрої захисту, зібраний на елементах DD2.3, DD2.4, обнуляється (рівень 0 на виході елемента DD2.4). У цей час транзистор VT4 закритий. При його відкритті на верхній вхід елемента DD2.3 надходить лінійно збільшується напруга. При струмі навантаження меншому максимального значення напруга на верхньому вході елемента DD2.3 не перевищує порогового. У разі виникнення перевантаження струм колектора транзистора VT4 досягає значення, при якому напруга на верхньому вході елемента DD2.3 перевищує його порогове значення і тригер захисту перемикається в одиничне стан (рівень 1 на виході елемента DD2.4). При цьому тригер DD3.1 встановлюється в нульове стан і транзистор VT4 закривається. Стабілізатор переходить в режим обмеження струму навантаження, його вихідна напруга зменшується.

Цей режим не небезпечний для стабілізатора (струм колектора транзистора VT4 обмежений), але може бути неприйнятний для навантаження. Для того, щоб убезпечити навантаження, включається другий ступінь системи захисту, що складається з інтегруючої ланцюга VD2R6R10C6 і одновібратора на тригері DD3.2. Початковий стан тригера DD3.2 – нульове. Якщо перевантаження триває більше 70 … 150 мс (в залежності від її кратності), напруга на конденсаторі С6, збільшуючись, досягає порогового значення та тригер DD3.2 перемикається в одиничне стан на час близько 2 с. Одиничне стан на нижньому вході елемента DD2.2 забороняє подачу сінхроімпульсов на тригер DD3.1 і стабілізатор вимкнений. За цей час конденсатор С6 розряджається через резистор R10, а конденсатор С8 – заряджається через резистор R13 до порогового значення та тригер DD3.2 встановлюється в первинний стан. Стабілізатор автоматично запускається. Якщо перевантаження не усунуто, процес повторюється.

Струм спрацьовування системи захисту можна змінювати в широких межах, підбираючи резистор R7. При збільшенні опору струм буде пропорційно зменшуватися.

Високу стабільність вихідної напруги забезпечує живлення вузла ШИ регулювання від параметричного стабілізатора на стабілітрон VD4, що живиться від генератора струму VT1 VD1.

На рис. 2 показана графічно залежність ККД стабілізатора від струму навантаження при трьох характерних значеннях напруги живлення. Легко бачити, що ККД має максимум в інтервалі струму навантаження 3 … 8 А. Якщо стабілізатор передбачається використовувати при струмі навантаження в межах 10 … 15 А, то доцільно змістити максимум його ККД у бік більшого струму заміною резистора R11 на інший, опором 2,2 … 2.4 Ом.

На рис. 3 зображена навантажувальна характеристика стабілізатора. Графік показує, що стабільність вихідної напрузі вельми висока (5 В ± 2%) і достатня для живлення пристроїв, виконаних на цифрових мікросхемах будь-якої серії.

Трансформатори T1-ТЗ та дроселі L2, L4 виконані на кільцевих магнітопровода типорозміру К20Х12Х6 з фериту 2000НМ1. У магнітопроводі трансформатора Т2 і дроселів L2, L4 необхідно передбачити немагнітних зазор шириною 0,4 мм. Для цього кільце найкраще розпиляти навпіл алмазним диском або, в крайньому випадку, розколоти, а потім знову зібрати, заклавши в обидва розпилу з прокладання товщиною 0,2 мм з декількох шарів тонкого паперу, рясно просоченої епоксидної смолою. Після з'єднанні половин магнітопровода їх туго стискають і дають смолі затвердіти. Надлишки затверділої смоли видаляють напилком. Дросель L4 намотаний на двох таких же кільцях, складених разом так, щоб їх зазори обов'язково збігалися.

Обмотка 1 трансформатора Т1 представляє собою один виток багатожильного проводу перерізом не менше 1 мм2. Оскільки дуже важливо забезпечити максимальну електромагнітний зв'язок між обмотками, цей виток не можна намотувати по найкоротшій відстані між його початком і кінцем. Його укладають на магнітопровода (обмотаний декількома шарами Лакотканини) так, щоб початок і кінець витка знаходилися поруч на зовнішній стороні циліндра кільця, а середина прилягала до найбільш віддаленої від початку і кінця точці на внутрішній поверхні отвори кільця. Обмотка II містить 200 витків дроту ПЕВ-1 0,1.

Обмотка 1 трансформатора Т2 містить 7 витків багатожильного проводу перерізом не менше 1 мм2, обмотка II – 7 витків дроту ПЕВ-1 0,68.

Обмотка I трансформатора ТЗ утримує! 20 витків проходу ПЕВ-1 0,25, а обмотка II – 10 витків дроту ПЕВ-1 0,68.

Дросель LI – Д-0, 1. Можна застосувати і інший з допустимим струмом не менше 30 мА. Обмотка дроселя L2 містить 35 витків дроту ПЕВ-1 0,68 мм, а дроселя L4 – 5 витків багатожильного проводу перетином не менше 2 мм 2 . Дросель 1.3 виконаний у броньовий магнітопроводі Б48 з фериту 2000HMI з парканом 0,6 мм в середньому стрижні. Його обмотка містить 10 витків, виконаних джгутом з 25 проводів ПЕВ-1 0,44. Активну опір обмотки близько 4 мОм. Середнє значення струму, що протікає через дросель L2, дорівнює 2 A, L3, L4 – 18 А.

Використовувані в пристрої мікросхеми можна замінити на аналогічні з серії К564.

Конденсатори С7, CI0-CI4 – К50 – 24. Замість них можна застосувати К50-27, К50-29, K50-31, К52-1. Конденсатори С8, С4 – К50-6, решта – з серії КМ. Постійні резистори – МЛТ, підлаштування резистор R18 – СП4-1.

При випробуванні пристрою транзистори VT2, VT4, діоди VD5, VD11, VD13 були встановлені на загальний пластинчастий тепловідвід з дюралюмінію товщиною 5 мм і площею поверхні 400 см2. Під час тривалої роботи стабілізатора з струмом навантаження 15 А при вертикальному розташуванні тепловідведення його температура не перевищувала 50 ° С.

А. МИРОНОВ, м. Люберці Московської обл.

РАДІО № 9, 1987 р., с. 48.