Розрахунок схеми широтно-імпульсного стабілізатора напруги

Мікросхема  має вбудований джерело опорної напруги на 5, 0 В, здатний забезпечити випливає струм до 10мА для зсуву зовнішніх  компонентів схеми. Опорна напруга  має похибку 5% у діапазоні робочих  температур від 0 до 70 ° С.

 

1.5 Регулюючі елементи

 Розглянемо, які регулюють елементи застосовуються в перетворювачах, їх достоїнства і недоліки, тому що від них в основному залежить режим роботи і якісні параметри перетворювача.

 В якості регулюючих  елементів використовуються:

1. тиристори;
2. біполярні транзистори;
3. біполярні транзистори з ізольованим затвором IGBT;
4. силові польові транзистори MOSFET.

У перетворювачах з тиристорним  регулюючим елементом є основна  проблема закриття тиристора. Для цього  струм через тиристор повинен  певний час підтримуватися менше  струму утримання, щоб неосновні  носії рекомбінували. При комутації  великих струмів, це становить деяку  проблему, а також вимагає певного  інтервалу часу, що обмежує граничну частоту перемикання. Існують розробки тиристорів, в яких закриття тиристора  відбувається подачею негативної напруги  на керуючий електрод, але поки що ці тиристори можуть, комутувати лише малі струми. Переваги тиристорних  перетворювачів, полягає в тому, що імпульс включення треба подавати лише на початку інтервалу провідності  і у включеному стані тиристор має мале падіння напруги, що позитивно  впливає на потужність, що виділяється  на тиристорі в момент провідності.

При використанні біполярного  транзистора як регулюючого елемента, існує також ряд недоліків. Для підтримки транзистора у відкритому стані необхідно подавати до бази дуже великі струми, що ускладнює систему управління і негативно впливає на ККД перетворювача. Частота перемикання біполярних транзисторів як правило, становить 20-40кГц, так як рекомбінація неосновних носіїв у базі відбувається досить повільно. Перевага біполярного

транзистора, це те, що він  має   невелике   падіння напруга в режимі насичення.

Використання IGBT почалося ще з 80-х років. IGBT є продуктом розвитку технології силових транзисторів зі структурою метал-оксид-напівпровідник, керованих електричним полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) і поєднують в собі два транзистора в одній напівпровідниковій структурі: біполярний (створюючий силовий канал) і польовий (створюючий канал управління). Поєднання двох приладів в одній структурі дозволило об'єднати хороші сторони польових і біполярних транзисторів: високий вхідний опір з високим струмовим навантаженням і малим опором у включеному стані. Типова робоча частота становить 50кГц, хоча за останнім розробкам, існують WARP Speed ​​IGBT, які можуть працювати на граничній частоті 150кГц.

Використання силових  польових транзисторів, також має  ряд переваг і недоліків. Основні  переваги польових транзисторів, це те, що управління здійснюється полем і  струми проходять лише в моменти  перемикання для заряду або розряду  ємності затвора. У польових транзисторів немає також рекомбінації не основних носіїв, що значно збільшує частоту  перемикання. Єдиним недоліком є  ​​те, що у включеному стані канал транзистора має певний опір на якому розсіюється помітна потужність. Проте за останніми розробками фірмою International Rectifier за технологією HEXFET 3.5 випущена нова серія польових транзисторів, у яких на прикладі транзистора IRFPS59N60C при струмі комутації 59А опір каналу у відкритому стані складає 45мОм, що на 89% нижче промислового стандарту.

 В імпульсному стабілізаторі регулюючий елемент перетворює вхідну постійну напругу в серію послідовних імпульсів встановленої частоти і широти, а згладжує фільтр демоделірує їх знову в постійну напругу . При зміні вхідної напруги або струму в навантаженні в імпульсному стабілізаторі за допомогою ланцюга зворотного зв'язку, яка складається з вимірювального елемента і широтно-імпульсного модулятора (ШІМ), який змінює тривалість імпульсів таким чином, що вихідна напруга залишається стабільним з необхідною точністю.

Імпульсний режим роботи дозволяє значно зменшити потужність втрат в регулюючому елементі і за рахунок цього підвищити  ККД стабілізатора, зменшити його масу і габарити. У цьому велика перевага імпульсних стабілізаторів перед безперервними  стабілізаторами.

Імпульсні стабілізатори  в залежності від способу управління регулюючим транзистором можуть виконуватися з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), частотно-імпульсною модуляцією (ЧІМ) або релейного типу. У ШІМ стабілізаторах в процесі роботи змінюється довжина імпульсу, а частота комутації залишається незмінною, в ЧІМ стабілізаторах змінюється частота комутації, а довжина імпульсу залишається незмінною, в релейних стабілізаторах в процесі регулювання напруги змінюється і довжина і частота імпульсу;це їхній основний недолік, який обмежує їх застосування.

Режим безперервних струмів дроселя. На інтервалі часу 0 – t1 транзистор VT закритий, струм дроселя протікає через діод VD в навантаження Rн і конденсатор Cн. При цьому напруга на дроселі рівна Uн-Uп-Uпр, а на транзисторі Uн - Uпр. У момент часу t1 відкривається транзистор VT і через нього на інтервалі (t1- t2)  протікає імпульсний струм   амплітудою  Icm,  обумовлений розрядом конденсатора Сн через діод VD із-за його інерційності. Після закінчення процесів розсмоктування неосновних носіїв в діоді VD (момент часу t2) конденсатор Сн відключається від дроселя і транзистора і розряджається в навантаження струмом Iн. Протягом цього ж часу (t2- t3) відбувається накопичення енергії  в дроселі (збільшення струму від IL min до IL max) за рахунок підключення до джерела живлення через насичений транзистор VT. При цьому    напруга     рівна Uси = Uсинас; Ul = Uп – Uсинас; Uд = Uн – Uсинас.

З моменту часу t3  весь процес повторюється. Наявність процесів розсмоктування в транзисторі приводить до його закривання через час tрас після закінчення   імпульсу Uп.у.

Режим переривистих струмів дроселя. Відмінність даного режиму від режиму безперервних струмів дроселя полягає в наступному. Після закриття регулюючого транзистора, струм, що протікає через дросель і діод, зменшуючись, досягає нуля у момент часу t3. На інтервалі t3—t4, коли транзистор як і раніше закритий, струм через дросель і діод дорівнює нулю. У момент часу t3 напруги стрибкоподібно зменшуються на транзисторі від Uн-Uпр до Uп, на дроселі від Uн-Uп-Uпр до нуля, на діоді напруга збільшується від Uпр до Uн -Uп, а струм конденсатора змінюється від нуля до Ін. Під час вступу відмикаючого імпульсу Uп.у. транзистор відкривається, його колекторний струм починає плавно збільшуватися від нуля без викидів IСm, оскільки протягом часу t3-t4 діод закритий.

 Істотним недоліком режиму переривистих струмів є підвищена пульсація напруги на навантаженні із-за збільшення тривалості розряду конденсатора в навантаження і збільшення внутрішнього опору.

 

1.6 Основні параметри стабілізатора

 

Стабілізатори характеризують такі параметри: коефіцієнт стабілізації, вихідний опір, температурний коефіцієнт напруги (ТКН) або струму, ККД  і  ін.

Коефіцієнт стабілізації – це відношення  відносної зміни дестабілізуючої величини до відносної зміни стабілізованої величини. Наприклад, для стабілізатора струму коефіцієнт стабілізації струму навантаження по вхідній напрузі:

   .

Розрізняють інтегральний та диференційний коефіцієнти стабілізації. Інтегральний коефіцієнт стабілізації характеризує стабілізацію в заданому діапазоні зміни дестабілізуючою  величини. Диференційний коефіцієнт стабілізації характеризує стабілізацію в певній робочій точці. Практичне  значення має інтегральний коефіцієнт стабілізації, оскільки дестабілізуючі фактори найбільш часте змінюються в широкому діапазоні. Інтегральний коефіцієнт стабілізації вихідної напруги вхідному визначається:

,

де    - коефіцієнт передачі напруги з входу стабілізатора на його вихід в номінальному режимі.

Вихідним опором стабілізатора  називається відношення зміни напруги  на виході стабілізатора до зміни  струму навантаження, яке викликало  це зміна напруги, при постійній  величині вхідної напруги:

.

Знак мінус вказує на те, що зі збільшенням струму навантаження вихідна напруга зменшується  і навпаки. Менше вихідний опір стабілізаторів може мати величину 0,1 Ом. Менше вихідний опір джерела живлення є сприятливим  для живлення електронної апаратури, зокрема запобігає режим самозбудження, а також покращує частотні характеристики. У зв'язку з цим

 стабілізатори використовують  як джерела живлення з маленьким  вихідним опором.

Температурний коефіцієнт напруги  або струму стабілізатора дорівнює відносного зміни стабілізованої величини при зміні температури на 1С:

.

До стабілізаторів, як до джерел вторинного електроживлення  ставляться такі вимоги: забезпечення високого ККД, маленьких пульсацій  вихідної напруги (струму), високої  швидкодії, маленької чутливості до змін температури, заданої величини ТКН, заданого коефіцієнта стабілізації, плавного регулювання вихідної напруги (струму), мінімальної маси і габаритів.

Статична регулювальна характеристика стабілізатора підвищувального типу (без урахування втрат в транзисторі і діоді) визначається залежністю:

 

де s = (rL + r дин)/Rн ; r дин , rL , Rн – опір діода (динамічний), дроселя і навантаження відповідно.

За наявності практично неминучих втрат в дроселі (s ≠ 0), а також у транзисторі і діоді на регулювальної характеристиці з'являється екстремум, значення якого сильно залежить від s. На підставі побудованих регулювальних характеристик можна відзначити наступні недоліки для стабілізаторів підвищувального типу:

1. для отримання великого діапазону регулювання вихідної напруги необхідно забезпечити малі значення s;
2. нелінійність характеристик погіршує умови стійкої роботи стабілізатора;

3. в режимі холостого ходу вихідна напруга стабілізатора, починаючи з g > (0,6 - 0,8), різко збільшується при s = 0.

 

 

2. РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ І ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ

 

 

2.1 Розробка структурної схеми

 

Для даного стабілізатора  була розроблена наступна структурна схема зображена на рис.2.1.

Рис.2.1 Структурна схема стабілізатора

 

На рис.2.1 показані такі елементи структурної схеми як: ДЖ- джерело вхідної постійної напруги з парамерами задними в технічному завданні, К – схема комутації, яка складається із силового вентиля і драйвера, Ф – вихідний фільтр, Н – навантаження, СК – схема керування із вимірювачем напруги.

Схема керування складається  із обробника сигналів зворотнього зв’язку, схеми регулювання та ШІМ модулятора (рис.2.2).

Принцип роботи полягає у  зміні коефіцієнту заповнення в  залежності від сигналів зворотнього зв’язку. Зі збільшенням напруги зменшується коефіцієнт заповнення і навпаки.

В якості вимірювача напруги  та елементу керування використовується резисторний подільник зі змінним коефіцієнтом поділу, тобто змінним

 резистором у верхньому  плечі. Система керування знаходиться  у стаціонарному режимі, коли напруга зворотнього зв’язку вирівнюється із заданим значенням.

Рис 2.2 Структура системи керування

 

На рис.2.2 зображено структурну схему системи керування, де ВХМ  – вхідний модуль, який забезпечує живлення схеми та прийом сигналів зворотнього зв’язку, ВИХМ – вихідний модуль, який забезпечує забезпечує зв'язок із комутаційною схемою, РЕ – регулюючий елемент (схема регулювання), АЦП – аналого-цифровий перетворювач, М – модулятор, МП – мікропроцесор.

 

2.2 Розробка схеми електричної принципової

 

На рис 2.3 зображено схему  електричну принципову імпульсного  стабілізатора напруги  з ШІМ  понижуючої дії.

Регулюючим елементом  даної схеми є резистивний  подільник R3-R5. Резистори R3,R5 являються обмежувачами діапазону регулювання, R4 – власне регулюючий елемент. Дана схема зібрана на базі мікроконтролера ATMega16 фірми Atmel, який містить у своєму складі таймери, АЦП, МП та регістри вводу-виводу. Тому використовуємо вбудований АЦП. Модулятор виконується програмно з використанням вбудованого таймера та регістру вводу виводу.

Рис 2.3 Схема електрична принципова імпульсного стабілізатора напруги

В якості вихідного фільтра  використовується LC-фільтр, забраний на елементах L2-C5.

Навантаженням схеми являється  резистор R2.

В якості ключа використовуємо низьковольтний HEXFET IRFZ24N із малою вхідною ємністю.

Параметри силових ключів IRFZ24N :

• напруга сток - витік – 55В;
• напруга затвор - сток – 20В;
• струм стока – 17А;
• потужність розсіювання – 17Вт;
• опір відкритого каналу – 17•10^-3 Ом;
• вхідна ємність – не більше 500 пФ.

Каскад керування ключем виконаний з використанням драйвера IR210, з параметрами:

• V_OFFSET =600В;
• I_O=+130 мА /- 270 мА;

• V_OUT =10 – 20В;
• t_on/off =160 / 150 нс;
• Затримка перемикання 50 нс.