Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



ствие принять напряжение источника эталонного напряжения (ИЭН), а параметром, по которому ведется регулирование, считать выходное напряжение (напряжение на нагрузке). В электронный тракт НКСН входят силовая часть - регулирующий элемент (РЭ) - и несиловая часть - усилитель рассогласования, ИЭН, элементы согласований уровней напряжений, частотно-зависимые цепи.

Основными возмущающими воздействиями являются: изменение и пульсации напряжения источника питания и тока нагрузки, температурный и технологический разброс параметров и характеристик элементов стабилизатора (в некоторых случаях к ним следует отнести временной,дрейф параметров) (рис. 2.2). Возмущения могут быть приложены к любой точке схемы (например, изменения температуры ок-

-о I-о ружающей среды оказы-

" вают влияние на характеристики lacex компонентов), но наибольшее дестабилизирующее воздействие они оказывают на входные цепи стабилизатора.


Рис. 2.1. представление непрерывного компенсационного стабилизатора напряжения в виде УПТ

По способу включения РЭ НКСН разделяются на последовательные (рис. 2.1,6) и параллельные (рис. 2.1, в). В состав НКСН входят полупроводниковые приборы и резисторы, а из крупнога-

>0У

Рис. 2.2. Структурная схема непрерывного компенсационногс стабилизатора

напряжения

баритных элементов - электролитические (оксидные) конденсаторы, включаемые в выходную цепь параллельно нагрузке.

Укрупненно показатели НКСН можно разделить на энергетические, дифференциальные, динамические и конструктивные.

К энергетическим показателям относятся КПД (ti) и мощности рассеяния в силовых элементах стабилизатора:

т1 = /„ „(1 + /у н);

h(1-ti)/ii;

п = н/п[1 + (/рэ + /у)/н1;

РЭ ~ -РЭ"

Р бал

( Uu

(2.1) (2.2) (2.3) (2.4)

(2.5)

где /н, /у, /рэ - токи нагрузки цепей управления и регулирующего элемента; PpQ , Рбал - мощность рассеяния в РЭ и балластном сопротивлении; Uh, U„ - напряжения на нагрузке и источника питания.

Выражения (2.1) и (2.2) соответствуют последовательным, а (2.3), (2.4), (2.5) - параллельным стабилизаторам.

.Дифференциальные показатели вытекают из следующей функциональной зависимости:

н=/(п. /н, Л, (2.6>

где F - суммарное возмущающее воздействие, учитывающее температурные, технологические и временные изменения компонентов! схемы.

Ограничиваясь- первыми членами разложения в окрестности точки и„, изменение выходного напряжения стабилизатора определится как

dU,.

(2.7)

dUn dia

где dUJdUn - дифференциальный коэффициент передачи напряжения; dUn/dlii - дифференциальное выходное сопротивление стабилизатора; dUn/dF - дифференциальный коэффициент передачи суммарного возмущающего воздействия.

В практике проектирования стабилизаторов применяется относительная форма записи коэффициента передачи по напряженик> (коэффициент нестабильности)

K,,==AUMUnU. (2.8)

или обратная зависимость (коэффициент стабилизации)

/Ce.=At/„(y,/At/„t/„, , (2.9)

а также температурный коэффициент напряжения (если под F понимать изменение температуры окружающей среды ДГ)

ТКН=-А/„-100Д/„ДГ. (2.10)

где AUti, AUn - изменения напряжения на нагрузке и источника питания.

Принципиальное значение для понимания процессов преобразования электрической энергии в НКСН и получения расчетных 2-60 - 33



соотношений имеет связь показателей НКСН с параметрами контура регулирования /Св. Коэффициент передачи в нагрузку возмущений со стороны источника питания

Кг. (р) = Д f/„ (р)/А и„ (р) =/С„р (р)1\ 1 -1- /Спр (Р) Крэ в (Р) Коу (Р) Рос (Р)].

(2.11)

где Кпр{р) =Rh/{Яи + г*к) - коэффициент прямой передачи возмущения; /Срэ - коэффициент передачи силового транзистора РЭ; Коу , рос - коэффициенты передачи ОУ и цепи обратной связи по напряжению; Ry - выходное сопротивление цепи управления регулирующим элементом.

Сопоставляя модуль (2.9) с (2.11), получаем

г. . (2.12)

При периодическом воздействии в виде пульсаций напряжения со стороны источника питания (2.12) определяет коэффициент сглаживания, этих пульсаций. Выходное сопротивление НКСН (если силовой транзистор РЭ включен по схеме с общим коллектором) определяется из выражения

Bbix=-T7-V- + ---77--. (2.13)

(2.14)

ОУ Рос 213 KQy pQ(,

в (2.11) -(2.13) /i2i3, Гэ , Гв , г*к - дифференциальные параметры транзистора для Т-образной схемы замещения.

Важным моментом при проектировании НКСН являются оценка нелинейных свойств функциональных узлов стабилизатора и целесообразность их учета. Нелинейные свойства НКСН определяются нелинейностью характеристик транзисторов ОУ и РЭ. Характеристика ОУ (рис. 2.3) может быть представлена в следующем виде:

ОУвх при /вх<вх.макс; .nsignt/вх при /в1>Увх.макс.

пде Овых, Ubx, [Увх.макс - ВЫХОДНОС И ВХОД-

ное 1максимальное напряжения ОУ соответственно.

Нелинейные свойства ОУ проявляются обычно только в переходном режиме при вх воздействии достаточно больших возмущений. В установившемся режиме рабочая точка ОУ выбирается на линейном участке статической характеристики. Поэтому медленные изменения напряжения источника питания и его пульсации передаются уси-Рис. 2.3. Статическая "жителем без искажений, т. е. в установив-характеристика опера- шемся режиме ОУ можно рассматривать ционного усилителя как линейное усилительное звено.


Нелинейность регулирующего элемента (РЭ) может проявляться в большей или меньшей степени в зависимости от выбора поло* жения рабочей точки на статической характеристике его силового-транзистора:

/к (в) = bKi. Ub) + 1кБО [1 (/в)]. . (2-15)! где /к. Ыбо - ток коллектора, базы и обратный ток коллектора. Если рабочая точка выбрана в активной области так, что f/j9 »гр (рис. 2.4), то рабочий участок характеристики транзи» стора является достаточно линейным. Однако при этом существенно уменьшается КПД, так как увеличивается t/js » а следовательно, увеличивается объем, определяемый поверхностью теплоотвода (далее «тепловой» объем Vt).


Рис. 2.4. Статическая характеристика регулирующего элемента

Поэтому для более полного решения задачи оптимизации НКСН по. критерию минимума объема целесообразно в первуку очередь предельно уменьшать энергетические потери и мощность рассеяния в РЭ снижением падения напряжения на нем. Для сокращения энергетических потерь и уменьшения объема стабилизатора следует рабочую точку силового транзистора по возможности приблизить к граничному режиму, т. е. f/кэ--гр. При этом Uga предельно уменьшается и увеличивается ti, рабочая точка смещается на нелинейный участок статической характеристики.

2.2. Порядок проектирования стабилизатора

Укрупненно разработка НКСН состоит из выбора и оптимизации функционально-необходимой части (ФНЧ), формирования необходимых динамических свойств и связанного с этим синтеза структуры несиловой части стабилизатора, анализа характеристик по принципиальной схеме и конструирования. Максимальному уменьшению объема НКСН способствует исключение «динамиче-9* .35



ских» факторов из совокупности ограничений, определяющих допустимую область (т. е. выбор энергетического режима и параметров крупногабаритных элементов в ФНЧ не должен быть связан с обеспечением динамических характеристик), и энергетических средств при формировании динамических свойств НКСН (т. е. для линеаризации характеристик, уменьщения отклонения выходной переменной в переходном режиме и сокращения его длительности не должны использоваться дополнительные затраты электрической энергии и увеличиваться емкость выходного конденсатора). Автоматизации проектирования НКСН способствует формализации этапов формирования динамических свойств и синтеза структуры его несиловой части.

Поскольку автоматизированный анализ электронных схем достаточно освещен в [52], а разработка конструкции устройств преобразования электрической энергии (вопросы тепловыделения, теплопередачи, способы снижения теплового сопротивления конструкции, выбор системы охлаждения и другие проблемы конструкторского плана), как правило, является общей для конкретной совокупности устройств и должна рассматриваться для системы в целом, то они в последующем изложении не затрагиваются.

Разработка НКСН может проводиться в двух, вариантах. В первом варианте среди заданных характеристик оговорен уровень напряжения источника литания. Это исключает возможность выбора величины напряжения на транзисторах РЭ и однозначно определяет КПД стабилизатора. В этом случае миниатюризация связана с уменьшением размеров элементов стабилизатора и в первую очередь выходного конденсатора. Во втором варианте проектировщик может по своему усмотрению вь1.брать уровень напряжения источника питания НКСН. В этих условиях решение проблем миниатюризации НКСН связано как с уменьшением геометрических размеров элементов, так и со снижением энергетических потерь путем предельного уменьшения напряжения на РЭ. Этот вариант расчета является более общим, поскольку охватывает большой круг решаемых задач, поэтому основное внимание ниже уделено ему.

Этапы проектирования стабилизатора -иллюстрируются примером расчета НКСН,, лредставляющего собой оконечный каскад источника вторичного электропитания, который должен удовлетворять следующим техническим трева-.ниям; f/H=12 В; /н=1,5 А; б/н=±0,57о; 8Uu = ±<lQ%; f/n. пульс.а = 0,75 В; i/mnynbe.H=5 мВ; Д;н = 100 мВ; /пульс = 50 кГц; 7"==±60С; р = 100 мкс - длительность переходного процесса.

Проектирование НКСН проводится в соответствии с порядком, изложенным в [3], и включает в себя следующие основные этапы.

Этап 1. Анализ требований технического задания, выбор элементной базы и технологии изготовления. На этом этапе определяются общие принципы разработки НКСН, поскольку здесь закладываются основы структуры и схемотехники, определяются особенности конструкции и технология изготовления. При анализе технического задания оцениваются уровень требований к элект-.рич«ским характеристикам стабилизатора, их жесткость, степень ;.3б

трудоемкости их реализации, выявляется необходимость поиска новых структурных и схемотехнических рещений или возможность использования известных, допустимость выбора оптимального уровня питающего напряжения для снижения энергетических потерь в РЭ. Здесь же анализируется совокупность функций, подлежащих реализации, оцениваются условия применения НКСН, выявляются возможности использования теплоотводящей поверхности конструкции потребителей для охлаждения НКСН и т. д.

Анализ требований данного задания показывает, что стабилизатор должен ггметь довольно высокие коэффициенты фильтрации и стабилизации, достаточно жестко ограниченные параметры переходного процесса. Обычно ие оговаривается, но всегда подлежит решению проблема обеспечения устойчивости. Не предъявлены специальные требования к ограничению технологического разброса параметров элементов и временному дрейфу выходного напряжения, но изменения параме-цров элементов под воздействием различных воз-мущенпн должны быть учтены прн обеспечении статических и" динам1етких характеристик НКСН. ~

Этап 2. Выбор функционально-необходимой части. На этом этапе разработчик определяет структуру (набор необходимых •функциональных узлов, в том числе и- серийно выпускаемых) и схемотехнику ФНЧ.

Исходя из требований задания прежде всего определяются способ включения РЭ, тип усилителя сигнала рассогласования, необходимость в устройстве защиты и вспомогательных источниках питания. Для уменьшения энергетических потерь выбирается схема с последовательным включением РЭ, поскольку она более экономична, чщл схемы с параллельным включением РЭ. В качестве схемы управления регулирующим элементом принимается серийный операционный усилитель типа 140УД1Б (рис. 2.5,а),. а в качестве источника эталонного напряженияпараметрический стабилизатор напряжения.

Э г а п 3. Расчет регулирующего элемента. При статическом расчете по /н и максимальному напряжению питания (f/п.макс) определяются количество и типы транзисторов РЭ. При этом основным критерием при выборе коли- / < чества, как и при выборе их режима работы, является минимизация элек-дрических. потерь в РЭ. Помимо этого в статический расчет входит выбор элементов источника эталонного напряжения, сопротивлений резисторов цепи ООС, определяется коэффициент усиления ОУ, необходимый для обеспечения коэффициентов стабилиза-зации, фильтрации, выходного сопротивления. Статический расчет проводится в следующем торядке:

Выбираются транзисторы РЭ. Ток коллектора оконечного транзистора

/к =/н (1 Ч-бу). * (2.16)


Рис. 2.5. Принципиальная схема функционально-необходимой части



0 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46


0.0103