Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



где 67=0,05, так как предполагается, что вспомогательные цепи управления увеличивают ток нагрузки коллектора транзистора РЭ на 5%;

/к = 1,5(1 +0,05) = 1,575 А. Количество дополнительных транзисторов в РЭ при выбранном типе ОУ определяется следующим образом:

п- 1 = [Ig /„ у 3l/[Ig Л21 si. (2.17)

Л21вр <=Л21эоЯ,-; Я1 = 1+0,092тр-ехр[-0,2(1+тр)]; /Пр - расчетный коэффициент, выбираемый из интервала [0-4]; для тр=4 /i2iep=/i2i3o; /ду - выходной ток ОУ; Лзд-типовой (расчетный) статический коэффициент передачи тока транзистора; i - порядковый номер транзистора.

Принимая /qj,=i1,2 мА, /12130= Ю (для мощных транзисторов типа 2Т908), Л21во2,з=40 (для транзисторов малой и средней мощности типов 2Т608, КТ369) и выбирая для всех транзисторов тр = 1, поскольку чем меньше Мр, тем выше КПД НКСН, получаем

Я= 1 +0,092-ехр [ - 0,4] = 0,42; /i2i8i = 4,2; Л21э2 = 16,9;

п- 1 = [Ig 1,575/4,2.1,2.10-3]/[lg 16,9] « 2,03.

Для дальнейших расчетов принимается количество транзисторов в РЭ п=3.

Напряжение на РЭ (если применяются транзисторы одного типа проводимости) равно

РЭ = к.э(1+"р) + ("-1)б.э. (218)

где i/к.э, t/б.э - напряжение коллектор - эмитЩ) и йапряжение база-эмиттер.

Если возможно применение транзисторов/разЛШИруктур (рис. 2.5), то при п2 .

Для f/„.3=:l В; f/6.e=0,7 В

f/p3= 1(1 + 1)- +2.0.7 = 3,4 В.

Для тех же исходных данных напряжение на РЭ с транзисторами разных типов проводимости составит

[/рз= 1(1 + 1)+ 1.0.7 = 2,7 В.

Обычно для тройного составного РЭ (далее рассматривается вариант РЭ, состоящего из транзисторов одного типа проводимости, как наиболее сложный в расчете) напряжение выбирается около 7 В. При таком режиме указанные транзисторы будут иметь дифференциальные параметры, соответствующие справочным данным (тр="4). Однако мощность рассеяния будет велика (для fpg =6 В Ррз=9,45 Вт), что потребует достаточно большой поверхности теплоотвода (при конвективном охлаждении для удельной поверхности теплоотвода Sto=20 cmVBt получаем 5т=1189 см). Определяемый ею объем конструкции Vt (при къ=Ь1а=\, Кс = с/а=0,2, определяющих отношение размеров корпуса b и с к базовому размеру а) получаем равным 0,2-1 (132/2-1,4)3/2=1110,9 см1 Если выбрать f/pg =3,4 В, то мощность рас-38

сеяния снизится до 5,4 Вт, 5т=108 см, а Vt = 47,9 см. Но при таком режиме работы РЭ одновременно ухудшаются дифференциальные параметры транзисторов, уменьшаются усилительные свойства (коэффициент передачи тока уменьшается примерно в 2,5 раза, так как тр=1), увеличивается выходное сопротивление (примерно в 2 раза), что в итоге примерно в 1,5 раза уменьшает коэффициенты стабилизации и фильтрации, более чем в 2 раза увеличивает выходное сопротивление НКСН.

Таким образом, перевод РЭ в режим, близкий к граничному, позволяет увеличить КПД НКСН с 67 до 77% и уменьшить объем, определяемый электрическими потерями, с 65 до 28 см ценой снижения усилительных свойств РЭ. Вызываемое этим ухудшение основных характеристик стабилизатора должно быть скомпенсировано увеличением передачи контура регулирования.

Минимально необходимое напряжение источника питания

п.мин + f/p3„„H + и„ пульс. (2.19)

где [/т пульс - амплитуда пульсаций напряжения источника питания. С учетом допуска на изменения напряжения номинальный и максимальный уровни составят

ном = п.м„н (1 + S) = 16,15 (1 + 0,1)1 = 17.8 В; п.макс = п.мин (1 + 2«) = 6,15 (1 + 0,2) = 19,4 Б. Если разработка НКСН ведется для случая, когда Ua задано, то 1/п.мив=" = t/n.HOM(l-б), а [/п.макс = /п.ном( 1 + 6). Поскольку на Еыходе стабилизатора может быть включен конденсатор, то в момент включения все напряжение источника питания будет приложено к РЭ. Поэтому выбор оконечного транзистора РЭ производится по и„,макс И /к.макс =(1,5-4-2)/„ (выбирасм транзистор типа 2Т908). Остальные транзисторы РЭ выбираем по f/п.макс и /н.макс г21эр предыдущего транзистора (выбираем транзисторы 2Т608 и КТ369Б).

Определяется коэффициент усиления РЭ по напряжению [с учетом параметров транзисторов РЭ в режиме, близком к граничному: тр=1; Гк=10 Ом;

P3B«W«- /<рэв= 10/8.4= 1,2. (2.20)

Этап 4. Расчет источника эталонного напряжения. Рассчитывается требуемый ТКН стабилитрона (рэт), при условии, что температурные изменения выходного напряжения НКСН определяются стабилитроном эталонного источника напряжения

2б/н-100

(2.21)

где Св - весовой коэффициент, определяющий допустимую степень воздействия температуры окружающей среды (АГ = Гмакс- -Тмин- диапазон ее изменений) на выходное напряжение стабилизатора. Для Св = 3 (впоследствии это значение может уточняться) получаем

2.0,ЬЫ00 л ллссл/ ,ог-

Mw*=-гЧгт-» 0,0056 %/°С.

3.1220



По ТКИ выбирается стабилитрон типа КС196Б (целесообразно соблюдать условие /эт/н) с .характеристиками Цэт = 0,0025%/°С; Гд„ф=12 Ом; 1С?ст.ном=10 мА; /ст.ном = 9,6 В±5%. По /„.макс, t/cT.HOM и /н определяется сопротивление балластного" резистора

= (/н-/эт.макс) ст.ном = (12-10,08)/10-10-3 = 192 Ом. (2.22)

По значениям бн.макс и f/cT.HOM определяется коэффициент передачи цепи ООС по напряжению

Рос = /е,.„ом/н = 9,6/12 = 0,8. (2.23)

Этап 5. Расчет усилителя сигнала рассогласования. Определяется коэффициент усиления ОУ по требованиям к коэффициенту стабилизации и выходному сопротивлению стабилизатора

/Срос = гпах

А/н {fi2i3pr+Ry + r) А[/нЛ21эр

(2.24)

где 1/Лв+1/&в=1 -1/Сс - коэффициенты; п bs - весовые коэффициенты, выбираются так, чтобы значение /Срос (коэффициент передачи разомкнутого контура), рассчитываемое по выражениям в фигурных скобках, было примерно одинаковым.

Для ав=3,19 и 6в=2,8

(О 1•17 8 3,19---= 78.9 » 79-0,005.12,0.1,2

1,35 4,2.0,5-1-

16,92

= 78

(2.25)

(0,005.12/63).4,2

Коэффициент усиления ОУ определится из следующего выражения:

0У = Рос/Рос =80/0,8 =100.

По К оу выбирается ОУ типа 140УД1Б с параметрами /Cqv =2500, Aioy - =1250; ./?„х=10 кОм: /?вых = 400 Ом; /вх = 5 мкА; А/вх=30нА; АД/вх=3 нА (температурное изменение разности входных токов); /вых=1,2 мА; С/вых=» = 9,0 В; t/flp.np = 20 мкВ/° С;./гр=0,1 МГц. Определяются сопротивления резисторов в цепях смещения ОУ и ООС:

1 = ст/7двх; (2.26)

2 = /н/9д/вх-(2.27) где (7д = /д в1=5-200; /д -ток делителя RiRz- Для 9д = 100

= 9,6/100-5.10-е = 18,3 кОм; ;?2 = 12/100.5.10-9= 5,7 кОм.

Уточняется изменение выходного напряжения НКСН при воздействии температуры окружающей ореды с учетом температурного дрейфа характеристик

Ьа = 8уА, (2.28)

А Ее

др.пр

Ri АД .

~ Re + Ry Uh Uh

Su = (Ri + 2) (6 + Ry)/(Ri Rg-R2 Rc);

Л = 2,3.10-»; 5y=l,42; S f/н = 1,42.2,3. Ю-з = 3,266. lO""; 2 б 1/„.доп/3 = 2.0,005/3 = 0,0033

(2.29)

йн<б(/.д,„/св.

?с = Гд„ф; ac/p = f/ppAr; Д £ = (Хс, t/ст ат-ю-».

При б6/н>б(/н.доп/Св необходимо увеличить Kq или уменьшить Ri.

Этап 6. Определение емкости выходного конденсатора. Уточняется коэффициент передачи разомкнутого контура по требованию к подавлению пульсаций источника питания. При этом решается вопрос о необходимости включения в выходную цепь НКСН конденсатора большой емкости.

Из предварительного расчета следует, что для обеспечения допустимых изменений выходного напряжения стабилизатора в установившемся режиме (прн медленных изменениях возмущений со стороны источника питания, потребителя и температуры окружающей среды) требуется коэффициент передачи разомкнутого контура не менее 80. Для заданного подавления пульсаций источника питания требуемое значение Кос должно быть не менее 150 (Кф = ит пульс.n/t/m пульс.н =0,75/0,005=150), т. е. КфЖсг. В таких случаях ФНЧ реализует помимо функции силового преобразования электрической энергии и функцию подавления пульсаций. Для этого потребуется включение на выход НКСН электрического конденсатора большой емкости

Сн - •/Сф/©ПУЛЬС

+ Rn

(2.30)

Для /пупьс = 5-10 Гц; /?н = 8 Ом; Грд =0,5 Ом; Сн = 950 мкФ. Если принять, что электронный тракт НКСН размещен иа подложке размером 24X30 мм, а . в качестве Св. выбраны три конденсатора К-52-2 емкостью по 400. мкФ, то объем стабилизатора вместе с выходным конденсатором составит примерно 37,5 cm.2.

Если подавление пульсаций осуществляется контуром регулирования, то отпадает необходимость в этом крупногабаритном конденсаторе как элементе пассивного фильтра, но потребуется увеличить коэффициент передачи разомкнутого контура до значения Крос=150 и обеспечить граничную частоту разомкнутого контура (01>(0пульс. Этпм вместо увеличения емкости конденсатора предусматривается избыток коэффициента усиления в контуре регулирования.

Таким образом, выбор более выгодного энергетического режим"а и устра-•нение электролитического конденсатора позволяют свести к минимуму объем ФНЧ, связав его выбор только с обеспечением требуемой поверхности теплоотвода. Исключив нз выходной цепи конденсатор большой емкости, тем не менее следует сохранить конденсатор небольшой емкости (доли микрофарады) для нейтрализации высокочастотных возмущений, которые могут возникать



при ступенчатом изменении тока нагрузки, удаленной от выходных клемм стабилизатора иа некоторое расстояние (десятые доли метра).

Исключение выходного конденсатора большой емкости как обязательного элемента НКСН ни в коей мере не препятствует включению конденсатора любой необходимой емкости как на выходе стабилизатора, так и непосредственно на входе потребителя, если в этом возникает необходимость. Приведенное выше обоснование позволяет лишь отказаться от обязательного использования выходного конденсатора для формирования динамических характеристик НКСН, что ведет к неоправданному увеличению объема его конструкции.

Этап 7. Обеспечение устойчивости и заданного качества переходных процессов. Уточняются количество и содержание функций, реализация которых будет осуществлена контуром регулирования. По количественным значениям статических параметров НКСН (коэффициенту стабилизации, коэффициенту подавления пульсаций источника питания, выходному сопротивлению) производится расчет исходных значений параметров контура регулирования.

Количественные значения параметров, характеризующие динамические свойства НКСН, принимаются Ъ качестве ограничений при последующих уточнениях коэффициентов математической модели (ММ). Процесс конструирования ММ проводится в следующей последовательности. После определения исходных значений параметров контура регулирования рассчитываются коэффициенты ММ и по полученному выражению ММ производится расчет устойчивости с заданными запасами по амплитуде и фазе вначале для линейного представления НКСН, а затем с учетом его нелинейных свойств. Если параметры контура регулирования на этом этапе изменились, то коэффициенты ММ уточняются.

По уточненному выражению ММ производится проверка выполнения требований ТЗ к параметрам переходного процесса, среднеквадратическому отклонению выходной переменной. Из полученных множеств значений параметров контура регулирования принимаются те, которые гарантируют выполнение всех требований технического задания к параметрам НКСН. После этого составляется окончательное выражение ММ НКСН.

Использование контура регулирования для реализации указанной совокупности функций означает, что его основные параметры (коэффициент передачи и постоянные времени) связаны с показателями, оценивающими эти функции, и в итоге определяют множества значений параметров контура регулирования [3]. Вычисление элементов этих множеств может в одном случае производиться по выражениям, в явном виде связывающим показатели * стабилизатора и параметры контура регулирования, в других случаях требуется более сложная процедура с привлечением ЭВМ.

Для формирования требуемых динамических свойств и обеспечения устойчивости, в частности, как показано в [3], целесообразно выделить пять регламентируемых параметров контура регулирования: коэффициент передачи разомкнутого контура и четфе


постоянные времени (Гь Т2, Тг, Т4). Постоянная времени Ti определяет граничную частоту разомкнутого контура по уровню 3 дБ (рис. 2.6), постоянная времени Т4 - область высоких частот (область малых постоянных времени Гв). Поскольку в практике проектирования учет малых постоянных времени затруднен, то, допуская погрешность, увеличивающую запас устойчивости, следует принять ТТ.

Постоянные времени Гг и 7$ определяют интервал частот с пониженным наклоном частотной характеристики вблизи частоты среза (где ЛРос=1), что позволяет формировать необходимые запасы устойчивости по фазе (фзап) и амплитуде (/гзап). Тогда, допуская в иитер- р. 2.6. Логарифмическая вале частот COi-СО4 наклон не выше амплитудно-частотная ха--40 дБ/декада, а в области частот рактеристика разомкнутого

О)>С04 - иеопраниченный наклон dG/dlgay «"УР г , „ ь пенсационного стабнлизато-

[яаклон логарифмической амплитудно- ра напряжения

частотной характеристики (ЛАХ), с учетом выделенных параметров контура регулирования передаточная функция разомкнутого контура может быть Представлена выражением

. WM= bZi±lL-.

где y = dG/d\g(u при сй>(04.

Выбранное количество параметров контура регулирования является минимально необходимым для формирования требуемых динамических свойств с учетом всех реализуемых контуров .регулирования функций и без ограничения порядка НКСН как системы автоматического регулирования. "

1. Первоначально определяется значение коэффициента передачи Кос в зависимости от требований к коэффициентам стабилизации и фильтрации, выходному сопротивлению по (2.12), (2.13), и для дальнейших расчетов принимается наибольшее значение, т. е.

/CPoc = max{/tPoc(cT); Кос(Кф);. Рос(вых)}- (2-31) Два последних элемента множества отображают прямую зависимость Koc = fiVr) и Koc = f{Vr), поскольку выбор энергетически более выгодного режима, т. е. уменьшение Vt, привело к увеличению Гвых (из-за увеличения сопротивления Грэпо сравнению с сопротивлением в режиме с большим t/кэ) и уменьшению геометрического объема (за счет отказа от использования выходного конденсатора для подавления пульсаций источника питания привело к увеличению /СРос).

Для проектируемого НКСН получаем /CPoc=niax{79, 150, 78}, поэтому принимаем /СРос = 150.



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


0.0132