Пример 4. Расчет импульсного стабилизатора напряжения с ограничением тока и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с использованием микросхемы mА74S40 фирмы Fairchild

Принципиальная электрическая схема импульсного стабилизатора напряжения приведена на рис. 6.

Импульсный стабилизатор может работать в диапазоне входных напряжений

= (5…40)В, выходных = (1,5...35)В. Если входное напряжение превышает 40В, то

можно установить дополнительный стабилитрон VD2, подключив его к 11 выводу микросхемы DA1 с напряжением стабилизации

.

Если входное питающее напряжение меньше 40В, то вместо стабилитрона устанавливается проводная перемычка.

Микросхема mА74S40 представляет собой многоцелевой импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с погрешностью 0,01%. Максимальный ток внутреннего потребления микросхемы DA1 составляет 2,5 мА при =5В и 3,5мА при =40В. Диапазон допустимых рабочих температур микросхемы коммерческого исполнения составляет от 0 до 70°С. Частота генератора может быть установлена в пределах 0,1...100 кГц. Выходные транзисторы микросхемы могут выдерживать напряжение до 40В с током до 1,5А. Типовое значение транзистора микросхемы DA1 составляет 1,1В и при I_к = 1А не превышает значения 1,3В. Диод микросхемы mА74S40 выдерживает напряжение 40В, и на нем падает 1,5В при токе в 1А в прямом включении. Типовое значение =1,25Впри 1A. Источник опорного напряжения микросхемы DA1 имеет типовое значение 1,3В.

Схема стабилизатора работает следующим образом. На транзисторе VT1, катушке индуктивности и диоде VD1 собран силовой ключ импульсного стабилизатора. Транзистор

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема импульсного стабилизатора напряжения с использованием микросхемы mА74S40

 

VT1 работает в импульсном режиме класса D, когда он насыщен (т.е. его коллекторно-эмиттерный переход открыт), подключается к индуктивности и ток через нее возрастает и, протекая через нагрузку, возвращается на вход. Когда транзистор VT1 закрыт, индуктивность становится источником энергии, полярность на ней изменяется на противоположную, и ток идет по контуру, связывающему индуктивность , нагрузку и диод VD1, который в этом такте становится токопроводящим. Выходное напряжение стабилизатора зависит от открытого или закрытого состояния транзистора. В стабилизаторе используется метод ШИМ, который применен в микросхеме DA1.

Микросхема работает следующим образом (рис. 7).

Период Т широтно-импульсного модулятора стабильный и задается генератором. Частота генератора задается емкостью конденсатора . Генератор выдает короткие нулевые импульсы , которые, поступая на инверсный вход «R» - триггера, создает на выходе Q

нулевой сигнал , тем самым закрывая транзисторы VT2´, VT1´, VT1. После этого

 

Рис. 7. Временные диаграммы ШИМ импульсного стабилизатора

 

напряжение на выходе стабилизатора начинает понижаться. Часть этого напряжения поступает на 10 вход микросхемы (вход компаратора). На 9 вход подано , и как только станет ниже , на выходе компаратора появляется единичный сигнал , который поступает на вход логического элемента «И». Совместно с единицей с

выхода генератора, они образуют на входе «S» «RS» -триггера единицу, которая

 

устанавливает на выходе Q единицу , открывает транзисторы VT2´, VT1´, VT1, подключая к индуктивности, в которой накапливается энергия.

Время закрытого состояния транзистора зависит от скорости снижения напряжения, которое, в свою очередь, зависит от протекающего тока нагрузки . Если большой, то снижается быстро и, соответственно, компаратор переключается быстрее, т.е. время паузы снижается, а время импульса увеличивается.

 

Исходные данные для расчета:

- выходное стабилизированное напряжение, В;

- максимальный ток нагрузки, А;

- частота генератора ШИМ преобразователя, = 10...25 кГц;

- напряжение пульсаций от пика до пика, = 25... 50 мВ.

 

Расчет

1. Находим значение пикового тока

.

2. Из справочника [7]выбираем тип транзистора VT1. Транзистор VT1 должен быть высокочастотный, мощный. Максимальное рабочее напряжение , постоянный ток коллектора . Выписываем его основные параметры. Примерно по таким же параметрам выбираем справочника [10]импульсный диод VD1. Необходимо обратить внимание на то, чтобы диод VD1 мог работать на частоте, не меньше, .

3. Находим время, когда транзистор VT1 находится в открытом и закрытом состоянии. Период вычисляем по формуле

,

,

где - падение напряжения на диоде VD1 в прямом включении, В,

- время открытого состояния транзистора,

- время закрытого состояния транзистора,

- напряжение насыщения транзистора VT1, В,

– напряжение на входе стабилизатора, обычно выбирается ,

.

Подставляем это значение в уравнение

,

получаем

Определяем значение и .

Если ток нагрузки будет меняться в широких пределах, то значение 10мкс будет неприемлемо, тогда следует уменьшить частоту .

 

4. Вычисляем значение индуктивности по формуле

Если измеряется в мкс, в мА, то получается в мГн.

Обмотка дросселя наматывается на магнитопроводс ферритовым сердечником.

5. Находим значение накопительной емкости

если , выражены в мкс.

Выбираем из справочника [9]соответствующий тип конденсатора. Рабочее напряжение конденсатора принимаем равным .

6. Определяем сопротивление датчика тока

Резистор обычно изготавливается из манганинового провода, намотанного на каркас или без него. Например, берется провод с погонным сопротивлением 1 Ом/м и подбирается длина в миллиметрах и указывается в графе «Примечание» в перечне элементов.

7. Находим по формуле каталожного описания микросхемы емкость конденсатора

Конденсатор должен быть с малым допуском по разбросу значения емкости.

8. Вычисляем значения резисторов , делителя напряжения.

Принимаем =0,1 мА, тогда

где =1,3 В,

- напряжение стабилизации стабилитрона, при отсутствии которого ,

Определяем мощность рассеивания резисторов по уже известной формуле

Из справочника[8]выбираем типы резисторов ряда Е24 номинальных значений сопротивлений.

9. Находим максимальные мощности, рассеиваемые на транзисторе VT1, диоде VD1 и микросхеме DA1

,

где - напряжение насыщения транзистора VT1;

+ + + ,

где – время открывания и закрывания транзистора VT1 соответственно.

где –прямое напряжение на диоде (зависит от тока и выбирается из ВАХ диода);

,

где =1,1В,

- минимальные коэффициент усиления транзистора по току,

- ток потребления микросхемы,

= (2,5 ... 3,5) мА.

Мощность рассеивания микросхемы не должна превышать значения 1Вт.

10. Ориентировочно рассчитываем площадь радиатора под транзистор VT1

,

где - температура перехода транзистора, °С,

- максимальная температура окружающей среды(40…60°С),

- мощность, рассеиваемая транзистором, Вт,

- тепловое сопротивление переход-корпус, °С/Вт.

11. Приблизительно оцениваем КПД стабилизатора по формуле

.

Сумма мощностей, выделяемых на остальных активных элементах схемы стабилизатора

.

Мощности, выделяемые на резисторах, находятся

 

где и можно найти в расчетах резисторов.

12. Ток, потребляемый стабилизатором от выпрямителя с фильтром