Линейные стабилизаторы

 
 
 

3. ПОСТРОЕНИЕ И РАСЧЕТ  СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ  НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ  МИКРОСХЕМАХ. 

Исходные данные, необходимые для расчета: номинальное  значение выходного напряжения U_вых; пределы регулирования выходного напряжения U_выхmin, U_выхmax; максимальный и минимальный токи нагрузки I_нmax, I_нmin; нестабильность входного напряжения a; нестабильность выходного напряжения K_u=D U_вых/U_вых или коэффициент пульсаций выходного напряжения К_п; коэффициент стабилизации напряжения K_CT=a/K_u; внутреннее сопротивление стабилизатора R_вн; температурный коэффициент .

Выбор ИМС производится по заданным U_вых, I_{вых max}, К_ст (2.2), (2.7), R_вн (2.4). При этом следует отдавать предпочтение тем ИМС, которые работают с меньшим количеством внешних элементов. При этом должны быть выполнены условия : U_{вых имс} U_вых; I_{вых max имс} I_{н max}; К_{ст имс}>К_ст. Независимо от типа выбранной определяют минимальное, номинальное и :

U_{вх min}=U_{вых max}+U_пд;

U_{вх max}=U_вх (1+a₍₊₎),

где a₍₊₎ , a_(-) –наибольшие положительные и отрицательные относительные изменения входного напряжения соответственно.

Возможные пределы  изменения КПД:

(предполагается, что ток, потребляемый стабилизатором, мал, т.е. Iвых Iвх).

Элементы принципиальной схемы стабилизатора на ИМС К142ЕН1, К142ЕН2 (рис.3.1) рассчитываются следующим образом: делитель выходного напряжения R4,R5 выбирается из условия, чтобы через него протекал ток Iд не менее 1,5 мА. Сопротивление резистора R5 определяется уровнем опорного напряжения и составляет обычно 1,2 кОм.

Емкость выходного  кондесатора С2, повышающего устойчивость стабилизатора и снижающего уровень пульсации выходного напряжения, выбирается из условия С2 2,2 мкФ. Для повышения устойчивости включаестя также конденсатор С1 0,1 мкФ.

Ток через делитель R2,R3 выбирается равным Iд =0,3 мА, а R2=2 кОм. Напряжение U_бэ9 транзистора защиты составляет 0,7 В, поэтому сопротивление, кОм,

Зависимость выходного  напряжения стабилизатора от тока нагрузки при действии схемы защиты показана на рис 3.2.

Напряжение на резисторе защиты R1 открывает транзистор защиты VT9 только при токе I_пор, при этом I_пор<Iнmax, а сопротивление резистора R₁= 0,7/I_пор.

Включение последовательно  в выходную цепь ИСН резистора R1 ухудшает его внутреннее сопротивление, поэтому R1 выбирают минимально возможным. Схема стабилизатора (рис.3.3) может работать на повышенном токе нагрузки благодаря включению составного транзистора VT1,VT2.

Расчет стабилизатора  производится в следующем порядке.

Ток через транзистор VT1

I_k1max=I_{н max}+I_п ,

где I_п- ток, потребляемый стабилизатором.

Максимальное  напряжение на входе стабилизатора  с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя r₀

U_вхmm=U_вхmax+(I_нmax-I_нmin)r_0.

Величину r₀ можно принять равной (0,05 - 0,1)Uвх/Iн.

Максимальное  напряжение между коллектором и  эмиттером 

транзистора VT1

U_кэ1max=U_вхmm-U_н

Максимальная  мощность, рассеиваемая на регулируемом

транзисторе VT1

P_к1=(U_вхmax-U_н)I_к1max.

По данным U_кэ1max, I_k1max, P_k1 выбирают тип регулируемого транзистора.

При этом необходимо учесть, что расчетные величины должны быть меньше предельных величин, указанных  в справочнике.

Максимальный  ток базы транзистора VT1

I_б1max=I_k1max/h_21max.

Если I_б1max меньше номинального тока нагрузки I_ном ИМС, то транзистор VT2 вводить в схему не нужно. Вывод I3 ИМС следует соединить с базой VT1, а резистор R1 убрать. Транзистор VT1 является третьим в составном регулируемом транзисторе стабилизатора. Если I_б1max>I_ном, включают еще один транзистор VT2, предварительно определив следующие параметры.

Ток через резисторы R2, R3

I_R2,3=(1..1,5)I_ko2max,

где I_ko2max- наибольший обратный ток коллектора транзистора VT2. Если VT2 отсутствует, I_R2,3=1мА.

Сопротивление резисторов R2, R3

(R2+R3)=U_н/I_r2,3.

_{Максимальное  значение тока эмиттера транзистора VT2}

I_{э2 max}=(I_{б1 max} + I_R2,3)

I_{k2 max}

Максимальное  напряжение U_кэ2max транзистора VT2

U_кэ2max

U_кэ1max.

Максимальная  мощность, рассеиваемая транзистором VT2,

Р_к2=I_k2max• U_кэ2max.

По велечинам I_k2max,U_кэmax, Р_к2 выбирают транзистор VT2.

Сопротивление R₁=Uн/1mA

Наибольший ток  базы транзистора VT2

I_б2=I_k2max/h_21э2max

Необходимо проверить  соблюдение условия I_б2max I_{выхmaxимс}

Защита от перегрузки и короткого замыкания осуществляется напряжением, подаваемым с резистора R₄ на базу транзистора защиты по току в ИМС.

Сопротивление резистора защиты:

R4=U_R4/I_пор

Отношение R2/R3 следует выбирать таким, чтобы при нормальном токе нагрузки напряжение между выводами 10 и11 ИМС , между базой и эмиттером транзистора защиты по току, было близким к нулю:

U_10-11=U_R4+U_бэ1-U_R2

0.

Из этого условия  определяют сопротивление:

Мощность, рассеиваемая на резисторах:

P_R=I_R²R.

Интегральные  стабилизаторы типов К142ЕН3, К142ЕН4 выполнены на кристалле размером 2,2Х2,2 мм. Принципиальная электрическая  схема значительно усложнена  по сравнению со схемой стабилизаторов К142ЕН1, К142ЕН2 за счет введения двухкаскадного дифференциального УПТ с токостабилизирующими двухполюсниками, что существенно повысило стабильность по напряжению, а наличие мощного регулирующего транзистора обеспечило ток нагрузки ИМС до 1А.

Типовая схема  включения стабилизаторов К142ЕН3, К142ЕН4 приведена на рис 3.4. Назначение элементов: R1-ограничительный резистор выключения микросхем внешним сигналом; R2 - ограничительный резистор для регулирования порога срабатывания тепловой защиты в диапазоне температур корпуса микросхемы Тк от +65⁰ до +145⁰С; R3- резистор защиты от перегрузки по току или короткого замыкания; Ск -корректирующий конденсатор; совместно с выходным конденсатором Сн он обеспечивает устойчивую работу стабилизатора (обычно Ск=0,01 мкФ, Сн 2,2 мкФ).

Резистор R2, кОм, выбирают из условия:

Сопротивление ограничительного резистора, кОм,

,

где U_y- амплитуда управляющего импульса включения.

При управлении от микросхемы с ТТЛ-выходом U_y составляет около 5В.

Сопротивление резистора защиты:

.

Ток, протекающий  через выходной делитель R4,R5 Iд>1,5 мА.

Общее сопротивление  делителя

.

Напряжение на резисторе R5 должно быть равно образцовому:

U_обр=2,5 В+10%. Тогда

R₄=R_4,5-R₅.

Фиксированное выходное напряжение можно получить в стабилизаторах на ИМС К142ЕН5, К142ЕН8, КР142ЕН8, К142ЕН9, КР142ЕН17, КР1157, КР1162 ( рис. 1.3). Номер входного, выходного и общего выводов указан в таблице 2.1. В зависимости от того, включен ли регулирующий транзистор в плюсовой или минусовой провод, в таблице приводится соответствующее обозначение (+вход) или (- вход). Эти же ИМС, а также КР142ЕН12, КР142ЕН18 могут использоваться в схемах стабилизаторов с регулированием выходного напряжения (рис.1.5).

Ток делителя R1,R2 I_д>I_п.

R₁=U_{вых ном}/I_д (3.1)

Используя формулу (1.1) и заменяя I_д из (3.1), получаем:

, (3.2)

Если в таблице 2.1 не указан I_п, I_д принимают равным 5 мА. Рассчитывая делитель в стабилизаторе на ИМС КР142ЕН12, КР142ЕН18, U_выхном нужно заменить на U_выхmin. Кроме того,для снижения уровня фона при выходном напряжении, близком к минимальному, рекомендуется в измерительный элемент стабилизатора на ИМС КР142ЕН12, КР142ЕН18 включать сглаживающий конденсатор С₃=(2…10)мкФ. При U_вых >25В,если возможно замыкание входной цепи стабилизатора, следует при наличии конденсатора С3 включить диод VD2 (КД521А), защищающий вход управления микросхемы.

Микросхемы 142ЕН10 и 142ЕН11 –четырехвыводные регулируемые стабилизаторы. ИМС 142ЕН10 включается по схеме рис. 1.4 , а для ИМС 142ЕН11 выводы 3 и 4 соединяются и схема включения преобразуется в (рис.1.5). Ток делителя R1,R2 I_д>I_п.

(3.3)

где U_ос – напряжение обратной связи; в К142ЕН10 U_ос 2,3 В, а в К142ЕН11U_ос 1,25В. Сопротивления R1 и R2 находят из (3.3).

В двуполярных  источниках электропитания применяют  интегральные двуполярные стабилизаторы напряжения на ИМС К142ЕН6 и 142ЕН15. На рис. 3.5 приведена схема включения микросхемы К142ЕН6А (К142ЕН6Б).

Емкость входных  конденсаторов С1 и С2 не менее 2,2мкФ  для танталовых и не менее 10мкФ  для алюминиевых оксидных конденсаторов, а емкость выходных конденсаторов не менее 1мкФ для танталовых и 10мкФ для алюминиевых оксидных конденсаторов. С₃=С₄=(0,001…0,2)мкФ.

Двуполярные стабилизаторы  напряжения можно сделать регулируемыми. На рис. 3.6 приведена схема стабилизатора  на тех же ИМС К142ЕН6 на выходные напряжения от (4,5 …5)В до (12…15)В, а на рис. 3.7 – на выходные напряжения от (15…18)В до (25…27,5)В. Емкости конденсаторов выбирают также, как и для нерегулируемого двуполярного стабилизатора.

Типовая схема  включения стабилизатора КР142ЕН15А (КР142ЕН15Б), обеспечивающая фиксированное выходное напряжение 2х15В,показана на рис.3.8.

Для получения  регулируемого выходного напряжения применяют схему включения, представленную на рис. 3.9. Переменным резистором R4 изменяют напряжение обоих плеч одновременно, а регулятором R3 – корректируют, если необходимо, выходное напряжение только минусового плеча.

Входные конденсаторы выбираются также, как и в других стабилизаторах, рассмотренных выше. Резисторы R1 и R2 ( рис. 3.8 и 3.9) – датчики  тока нагрузки системы защиты от перегрузки и аварийного замыкания выходной цепи. Для температуры кристалла 25^оС

(3.4)

где I_пор(+) и I_пор(-) -выходные токи плюсового и минусового плеч соответственно, при которых должна сработать система защиты. Обычно I_пор(+) = I_пор(-).

При повышении  рабочей температуры кристалла  числитель в формулах (3.4) должен быть уменьшен на 0,02В на каждые 10^оС.

Емкость конденсаторов  С3=С4 следует выбирать равной или большей 0,01мкФ, а С5=С6 -равной или большей 1мкФ. Сопротивления резисторов R3 и R4 - 33кОм.