Проектирование интегрального стабилизатора напряжения

I_э» I_К, I_Б»0, I_R1=0,6 мА, I_R2=I_R3=0,06 мА, I_R5=1,4мА, I_R4=0.3 мА.

Определяем сопротивление  всех резисторов:

I_э4= I_R5- I_R1- I_R2- I_R4=1,4-0,6-0,06-0,3=0,44 мА;

R5= (U_вых- U_оп)/ I_R5=(15-1,2)/(1.4*10^-3)=9,86 кОм;

R1=(U_оп- U_эб1)/ I_R1=(1,2-0,6)/(0,6*10^-3)=1 кОм;

R2= (U_оп- U_эб3)/ I_R2=(1,2-0,6)/(0,06*10^-3)=10 кОм;

R4= U_эб4/ I_R4=0,6/(0.3*10^-3)=2 кОм;

 

При расчете сопротивления R3 допущение, что все U_эб»0,6 В не работает (является грубым), поскольку в этом случае U_R3» (U_эб1-U_эб2) »0× Поэтому при расчете R3 воспользуемся уравнением для идеального p-n перехода в первом приближении описывающего входную характеристику транзистора:

, где  

I_ЭБО - начальный ток эмиттера, φ_Т - температурный потенциал 26 мВ при t=20°С;

Тогда R3: 

 

R3 = 997,78 Ом;

Дифференциальный усилитель сигнала  рассогласования

 

ДУ выбираем из банка  схемных решений.

Схему ДУ выбираем из следующих  соотношений: k_U.ДУ ³  10⁴, R_вых.ДУ 3*10⁴

Соотношениям удовлетворяет  усилитель с k_u.ДУ ³ 10⁵ и с R_вых.ДУ 2*10⁴ Ом (рис 3.13).  

 

  ДУ имеет два входа и один выход, причем инвертирующий вход (Вх.1) подключается к выходу делителя выходного напряжения, а не инвертирующий вход (Вх.2) соединяется с выходом ИОН. К выходу ДУ подключается вход РЭ.

      VT5, VT11 – цепь параллельного баланса,

VT3, VT9 – активная нагрузка,

VT13, VT14 – эмиттерный повторитель,

VT2, VT8, R1 и VT1, VT6 – источники тока.

Введение в ДУ активной нагрузки и эмиттерного повторителя, а также реализация ДУ по схеме каскадного усилителя VT10, VT11, позволяет значительно повысить коэффициент передачи усилителя по напряжению k_U.ДУ при сохранении невысокого выходного сопротивления.

Основные правила для  нахождения пути передачи сигнала со  входа на выход усилителя.

1. через биполярный транзистор сигнал может проходить только в следующих схемах:

а) ОБ – вход Э, выход  К (фазу не инвертирует);

б) ОЭ – вход Б, выход  К (фазу инвертирует);

в) ОК – вход Б, выход  Э (фазу не инвертирует);

2. Таким образом по приращению сигнала в К нельзя входить или из Б выходить;
3. для того чтобы определить в сложной схеме схему включения транзисторов нужно найти электрод-вход и электрод-выход, оставшийся свободным электрод будет указывать на схему включения;
4. приращением сигнала нельзя попадать на общую шину или источник постоянного напряжения – сигнал пропадает.

2 основных пути передачи сигнала  до выхода ДУ:

1-ый путь передачи  сигнала:

VT11 ОЭ (инвертирует), VT10 ОБ (не инвертирует), VT13, VT14 (ОК не инвертирует).

По этому пути фаза инвертируется (1 инверсия ОЭ VT11).

2-ой путь:

VT11 (ОК не инвертирует), VT5, VT4 (ОБ не инвертирует), VT9 (ОЭ инвертирует), VT13, VT13 (ОК не инвертирует).

По этому пути усилитель  также инвертирует фазу (ОЭ VT9 – 1 инверсия).

 

Проектирование ИСН на уровне анализа и расчета принципиальной схемы

Выбор начального варианта схемы и его  анализ

 

Функциональная схема (рис.4.3) стабилизатора на схемотехническом уровне:

1) РЭ - составной транзистор (схема 3.7 б);

2) ДУ - схема 3.13

3) ИОН - схема 3.10

4) УЗСР

5) ИТ

6) Дополнительные функциональные узлы: узел тепловой защиты, цепь коррекции, узел защиты по току и мощности.

Таким образом получим полную принципиальную схему ИСН, представленную на схеме 4.3.

Функциональный состав схемы:

1) РЭ – VT22, VT23, R14;

2) ДУ сигнала рассогласования – VT6-VT16;

3) ИОН – VT17-VT20, R7-R11;

4) Делитель выходного напряжения – R16, R17;

5) УЗСР – VT2, VD1, VD2, R1, R2, R3; (VD1 – стабилитрон, U_VD1=6.3 В)

6) ИТ – VT1, VT5;

     Стабилизация  напряжения на выходе ИСН осуществляется за счет действия цепи общей ООС: выход – R10 – б VT10 – э VT8 – б VT13 – б VT14 – б VT19 – б VT20 – выход.

 

Расчет сопротивлений  резисторов УЗСР:

I_VD1=0,1 мА,

I_э2=1,8 мА,

U_вх=(U_{ВХ.мин. +} U_{ВХ. макс.}) / 2 = (18+30)/2= 24 В,

 

R1=(U_вх- U_VD1)/ I_VD1=(24-6,3)/(0,1*10^-3)=177 кОм

R2=(U_VD1- U_эб2-U_VD2)/ I_э2=(6,3-0,6-0,6)/(1,8*10^-3)=2,8 кОм.

 

Проведём оценку энергетических характеристик этой системы.

Схема позволяет обеспечить макс. ток в нагрузке (I_н.макс=1,2 А). Максимальный входной ток РЭ:

I_{вх.РЭ.макс}= I_н.макс/(β₁₉β₂₀)=1,2/(50*100)=0,24 мА.

Этот ток значительно  не превышает рабочего тока выходного  транзистора VT14 ДУ (0.6 мА), следственно, режим этого транзистора выбран правильно.

  Оценим максимальную мощность рассеивания на стабилизаторе. Эта мощность в основном рассеивается на транзисторе VT20 при его работе в наиболее тяжелом энергетическом режиме. Если в ИСН ввести цепь защиты, ограничивающую выходной ток стабилизатора на уровне 1.2 А при коротком замыкании выхода на общую шину, то максимальная мощность:

P_{к20.макс}= I_кU_кэ= I_н.кзU_{вх.макс}=1.2*30=36 Вт,

что нежелательно по конструктивным соображениям, так как требуется теплоотвод с большой площадью поверхности. Следовательно, для ИСН необходимо ввести цепь токовой защиты и защиты по мощности. Тогда

P_{к20.макс}=(U_{вх.макс}- U_вых) I_н.п=(30-15)×1.2=18 Вт,

при этом габариты внешнего теплоотвода не будут чрезмерно  большими.

В базовой схеме отсутствует целый ряд цепей, которые не оказывают существенного влияния на основные параметры К_ст и R_вых стабилизатора, но необходимы для его нормального функционирования. В ИСН необходимо ввести цепи коррекции, обеспечивающие его устойчивость, а  также цепи защиты от перегрузки стабилизатора по выходному току и устройство тепловой защиты. Эти цепи вводятся на этапе корректировки принципиальной схемы.

Корректировка принципиальной схемы. Расчёт цепей  защиты

 

Если в вышерассмотренную  схему стабилизатора ввести дополнительно цепь тепловой защиты, цепь токовой защиты и защиты по мощности, цепь коррекции, то получим окончательную схему (смотри приложение).

Функциональный состав схемы:

1) РЭ – VT22, VT23, R14;

2) ДН – R16, R17;

3) ИОН – VT17-VT20, R7-R11;

4) ДУ – VT6-VT16;

5) ИТ – VT1, VT5;

6) УЗСР – R1-R3, VD1, VD2, VT2;

7) Цепь тепловой защиты – R2, R4, VT3, VT4;

8) Цепь токовой защиты и защиты по мощности – R12, R13, R15, VT21, VD4;

9) Цепь коррекции – C1, R6.

10) С2 – ёмкость на  выходе ИСН для дополнительной фильтрации выходного напряжения.

Рассмотрим работу цепи защиты по току:

 Для простоты полагаем, R13 зашунтирован, а VD4 и R12 исключены из схемы. Силовой ток нагрузки течет по цепи: вход – кэ VT23 – R15 – Rн – общая шина и создаёт на R15 U_R15=U_VT21=I_н.максR15, т.е. рабочая точка VT21 находится в зоне нечувствительности. Тогда при максимальном и меньших токах нагрузки VT21 обесточен. Если ток нагрузки > 1.2*I_н.макс, то транзистор VT21 входит в активный режим, появляется ток в его коллекторной цепи, и коллекторный ток VT5 начинает течь в коллектор VT21 вместо базы VT22, что приводит к ограничению базового тока VT22 РЭ, а следовательно и весь ток нагрузки.

Расчет сопротивлений  резисторов цепи токовой защиты:

I_н.п=1,2 А, P_ИСН.кз=18 Вт, I_R12=2 мА, U_{вх.макс}=30 В;

I_н.кз= P_ИСН.кз/ U_{вх.макс}=0,6 А

 

R15= U_эб21/ I_н.п=0,6/1,2=0,5 Ом

R12= (U_{вх.макс} -U_VD4-U_эб21)/I_R12=(30-6.3-0,6)/(2*10^-3)= 12 кОм

R13= (U_эб21- I_н.кзR15)/I_R12=(0,6-0,6*0,5)/(2*10^-3)=150 Ом.

 

Цепь тепловой защиты R2-R4, VT3, VT4 функционирует следующим образом.

В качестве термочувствительного элемента, следящего за температурой кристалла  ИОН используется эмиттер-база VT3. Из физики биполярного транзистора известно:

1. с ростом температуры входная характеристика сдвигается параллельно сама себе, в сторону оси ординат с температурным коэффициентом –2 мВ/°С;
2. входная характеристика имеет зону нечувствительности, которая, как правило, соответствует 0.4 - 0.5 В для кремниевых транзисторов при нормальной температуре (см. рис. ).

Эти два свойства используются при построении цепи тепловой защиты. Напряжение U_R2=U_эб.VT3 выбирается таким образом, чтобы рабочая точка транзистора VT3 при нормальной температуре кристалла (t=20°C) лежала в зоне нечувствительности. При этом VT3 и следовательно VT4 будут практически полностью обесточены, а значит при нормальной температуре тепловая защита не влияет на работу схемы, что хорошо.

Когда температура  кристалла возрастает становится близкой  к предельной t_п =150°С рабочая точка транзистора VT3 переходит в зону чувствительности. При этом появляются эмиттерный и коллекторный токи VT3 (текут вниз), возникает падение напряжения на сопротивлении R4 (+ вверху), который открывает транзистор VT4 (направление вниз). При этом весь коллекторный ток VT5 вместо того, чтобы течь в базу транзистора VT22 РЭ, начинает течь в коллектор транзистора VT4, при этом РЭ VT22, VT23 полностью обесточивается и перестает разогревать кристалл изнутри. Но тепловая защита не холодильник и если температура окружающей среды превысит 150°С, то кристалл сгорит.

Расчет сопротивлений  резисторов цепи тепловой защиты и  УЗСР:

U_эб3=U_эб4=0,4 В;

I_э2=1,8 мА, I_э3= 0,1мА;

R2= U_эб3/I_э2=0,4/(1,8*10^-3)=220 Ом

R3+R2=2,7 кОм

R3=2,48 кОм

R4= U_эб4/I_э3=0,4/(10^-4)=4 кОм.

 

Корректирующая  цепь C1, R6 предназначена для обеспечения устойчивости ИСН, как системы с ООС. Если её исключить, то на выходе стабилизатора могут возникнуть незатухающие колебания, т.е. стабилизатор потеряет устойчивость (СН превратится в генератор, что плохо). Параметры: C1=200 пФ, R6=1 кОм.

Расчёт  статического режима принципиальной схемы

 

Расчёт статического режима принципиальной схемы заключается  в определении потенциалов всех узлов и токов всех ветвей. Потенциалы узлов приведены на схеме приложения 2.

При расчете потенциалов  будем полагать:

U_ЭБ ≈ 0,6 В для всех транзисторов

U_Д ≈ 0,6 В для диодов в прямом направлении

 

 

 

 

В схеме стабилизатора  известны базовые потенциалы:

1)  U_ВХ =( U_вх.мин+ U_{вх.макс})/2 = 24 В

2)  U_ВЫХ = 15 В

3)  U_О.Ш. = 0 В

4)  U_Б.VT2 = U_VD1 ≈ 6.3 В

5)  U_ОП = U_{Б. VT11} ≈ 1.2 В

Исходя из базовых  потенциалов, можно определить потенциалы схемы.

1. U_{К. VT2} = U_BX – U_{ЭБ 5} = 23,4 В

2. U_К.VT11 = U_BЫX – U_{ЭБ 9} = 15-0,6=14,4 В

3. U_Б.VT3  = U_VD1 – U_{ЭБ VT2} – U_{ЭБ VT3} = 6,3-0,6-0,6=5,1 В

4. U_R6 = 0, т.к. постоянный ток через конденсатор, подключенный последовательно с R6, не течет

5. U_Б.VT12  = U_ОП – U_{ЭБ VT11} + U_{ЭБ VT12} = 1,2-0,6+0,6=1,2 В

6. U_К.VT9 = U_ВЫХ + U_{ЭБ VT21} + U_{ЭБ VT23} + U_{ЭБ VT22} -U_{ЭБ VT6} -U_{ЭБ VT8} = 15+0,6+0,6+0,6-0,6-0,6=15,6 В

7. U_К.VT10  = U_ВЫХ + U_{ЭБ VT21} +U_{ЭБ VT23} +U_{ЭБ VT22} - U_{ЭБ VT16} - U_{ЭБ VT15} = 15+0,6+0,6+0,6-0,6-0,6=15,6 В

8. U_R9 = U_{ЭБ VT17} – U_{ЭБ 18} = 0 (так как U_ЭБ = 0,6 для всех транзисторов, поэтому рассчитываем его из ИОН).

9. Рабочая точка VT3 должна быть в зоне нечувствительности, поэтому U_ЭБ.VT3 = 0,4..0,5 В

на самом деле U_ЭБ.VT3 = U_R2 транзистора цепи тепловой защиты, задаемся 0,4..0,5 В, а не 0,6 В, поскольку хотим, чтобы при нормальной температуре 20°С транзистор VT3 был обесточен (рабочая точка в зоне нечувствительности), поэтому реально U_Б.VT3 = 5,2..5,3 В.

 

Заключение

 

В результате проектирования получили ИСН, стабилизирующий постоянное напряжение на выходе при изменении в широких пределах постоянного напряжения на входе и тока нагрузки. Полученный ИСН удовлетворяет заданным в техническом задании параметрам.

При проектировании ИСН  были использованы: РЭ, ИОН, ДУ, УЗСР, цепь коррекции, токовой и тепловой защиты…