Разработка импульсного источника питания

    3.2 Схемотехника модернизированного стабилизатора

     

    Для модернизации выбранного источника  питания предлагается схема приведенная  в приложении 3 в которой применяется релейный метод регулирования.

    Рассмотрим  работу схемы. В момент подачи на вход питающего напряжения компаратор обесточен. Его входное напряжение равно нулю, управляющий сигнал на базу транзистора VT2 не подается, и он находится в закрытом состоянии. Ток протекающий через резистор R2 и переход база-эмиттер транзистора VT1 открывает его,  при этом источник питания начинает заряд конденсатора C2. выходное напряжение стабилизатора начинает линейно возрастать до момента открытия стабилитрона VD3.

    По  мере заряда конденсатора С2 напряжение на стабилитроне VD3 увеличивается. В момент достижения  напряжением на стабилитроне значения ≈30 В (определяется типом стабилитрона) он откроется, и ток через него будет увеличиваться по мере увеличения выходного напряжения стабилизатора. К этому времени переходной процесс в стабилитроне можно считать завершенным, так как компаратор выйдет на режим и будет осуществлять контроль  (управление) силовой части. Вместе с тем, по мере повышения выходного напряжения, будет увеличиваться и ток в цепях делителей опорного и текущего напряжений. До достижения выходным напряжением компаратора 15 В (определяется типом стабилитрона VD6) процессы в обеих цепях практически уравновешены. Далее начинает работать стабилитрон VD6, и за счёт нелинейности его характеристики, напряжение на нем будет постоянно при изменяющемся токе. Напряжение в цепи делителя текущего напряжения будет и далее возрастать, согласно возрастанию выходного напряжения.

    При повышении выходного напряжения свыше 30 В начинается процесс регулирования. При этом частота управляющих импульсов линейно возрастает и достигает номинального значения (100 кГц) при выходном напряжении 150 В. Скорость нарастания выходного напряжения, в отличие от частоты, будет не линейна, а определяться частотной характеристикой сглаживающего фильтра LC2.

    Регулирование выходного напряжения реализуется  следующим образом. Предположим, что  в некоторый момент времени выходное напряжение стабилизатора выше требуемого. По этой причине  и на выходе компаратора формируется высокий уровень напряжения . Это напряжение насыщает управляющий транзистор VT2. Напряжение на резисторе смещения , и регулирующий транзистор VT1 заперт. Ток дросселя, протекая через замыкающий диод VD2, отдаёт накопленную энергию в нагрузку. По мере уменьшения энергии дросселя выходное напряжение стабилизатора уменьшается и в момент (рисунок 3.4), напряжение становиться меньше напряжения отпускания компаратора Uот. Компаратор формирует на выходе низкий уровень напряжения .

    

 

    Рисунок 3.4 Временные диаграммы, поясняющие работу импульсного стабилизатора  с релейным регулированием. 

    Транзистор VT2 запирается, а транзистор VT1, под действием тока резистора R2 попадает в режим, близкий к насыщению. При этом к выходу LC-фильтра прикладывается напряжение, близкое к входному. Ток дросселя, а вместе с ним и выходное напряжение начинают увеличиваться. В момент и компаратор выключает регулирующий транзистор VT1.

    Далее, до момента  , выходное напряжение стабилизатора опять поддерживается за счёт энергии, накопленной в элементах фильтра на интервале  и т.д.

    Рассмотрим  работу схем защиты и индикации.

    Схема защиты работает следующим образом: при токе нагрузки более 500 мА падение  напряжения на резисторе R10 превысит значение 1,75 В, что приведет к открытию светодиода оптрона. Свечение светодиода, в свою очередь, приведет к падению дифференциального сопротивления участка эмиттер-коллектор транзистора.

    В результате этого, ток в цепи делителя опорного напряжения уменьшится. По этой причине на выходе компаратора формируется высокий уровень напряжения . Это напряжение насыщает управляющий транзистор VT2. Напряжение на резисторе смещения U_R2 будет примерно равно входному напряжению U_вх и регулирующий транзистор VT1 перейдет в закрытое состояние. В результате входное напряжение стабилизатора упадет до уровня, при котором выходной ток не будет превышать заданного значения.

    Теперь  рассмотрим работу схемы индикации.

    При нормальной работе  стабилизатора  напряжения на стабилитроне VD6 = 15 В, а напряжение на стабилитроне VD1 = 7,5 В. Таким образом напряжение приложенное к цепи равно . В результате ток будет протекать по цепи R4 VD4. Это вызовет свечение светодиода VD4, который будет сигнализировать о исправной работе стабилизатора.

    В случае срабатывания схемы защиты при  перегрузке, транзистор оптрона будет  шунтировать стабилитрон VD6, что приведёт к падению напряжения на нём до нуля. Таким образом напряжение приложенное к цепи станет равным . В результате ток будет протекать по цепи R4 VD5. Это вызовет свечение светодиода VD5, который будет сигнализировать аварийный режим работы стабилизатора. Резистор R4 предназначен для ограничения тока светодиодов.  

    3.3. Электрический расчет стабилизатора напряжения 

    Проведем  электрический расчет стабилизатора  напряжения [7]:

    Исходные  данные для расчёта:

 

    1) Определяем минимальное и максимальное  значение коэффициента заполнения  Кз на входе LфCф-фильтра:

    

    

    2) Из условия сохранения режима  непрерывности токов дросселя  определяем его минимальную индуктивность:

    

    3) Вычисляем произведение LфC по заданному значению коэффициента пульсации:

    

    Определяем  предельно допустимый ток, протекающий через конденсатор C2 (при условии, что ):

    

    

    4) Выбираем регулирующий транзистор  VT1, исходя из условий:

    Исходя  из полученных данных выбираем транзистор КТ834А с характеристиками:

     ;

     ;

     ,

     = 10.

    Определяем  максимальный ток базы транзистора:

    

,

где - ток насыщения выбранного регулирующего транзистора VT1;

     - коэффициент передачи транзистора  VT1.

    5) Выбираем управляющий транзистор VT2, исходя из условия:

    Исходя  из полученных данных выбираем транзистор КТ506 с характеристиками:

     ;

     ;

     ,

     = 10.

    Определим максимальный ток базы транзистора  VT2:

    

    6) Выбираем сопротивление резистора R2

    

    Максимальный выходной ток операционного усилителя равен:

    

    Так как выходное напряжение операционного усилителя значительно больше, чем напряжение базы-эмиттера транзистора VT2 (≈0,8В), то вводят R3:

    

    7) Выбираем операционный усилитель типа К1401УД1А с параметрами:

     ;

     ;

     ;

     ;

     ;

     .

    8) Расчёт цепи питания операционного усилителя:

    Выбираем  стабилитрон VD3 при условии, что . Исходя из этого выбираем стабилитрон КС530А с характеристиками:

     ;

     ;

     .

    Определим ограничительный резистор. При этом необходимо знать значение , , , .

     ,

    

    Определим мощность рассеиваемую на R5:

    

    9) Рассчитываем цепь сравнения  компаратора  на стабилитрон  VD6.

    VD6 выбираем из условий:

      и  :

    КС515, который характеризуется следующими параметрами 

    

    

    Определим значение резистора для VD6

    

    Определим мощность, рассеиваемую на R9

    

    10) Расчёт делителя:

    Зададим точки в цепях прямого и  инверсного входа компаратора равными  . Находим суммарное сопротивление цепи делителя:

    

     - входное напряжение компаратора.  Находим диапазон изменения входного напряжения компаратора:

    

    

    Принимая  во внимание полученные значения, вычисляем сопротивление резисторов делителя:

    

    

    

    Проверка:

    11) Выбор коммутирующего диода VD2 проводится с учетом:

    Исходя  из этого выбираем коммутирующий  диод КД213А с параметрами:

    

    

    12) Выбираем стабилитрон в схеме  индикации исходя из условия:

    

    

    Стабилитроном схемы индикации VD1 выбираем КС175А.

    Определим значение резистора для VD1: