РЕЛЕЙНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЦИФРОВЫХ ИМС 

Получившие в последнее время широкое распространение цифровые ИМС не предъявляют к источнику питания эысоких требований по стабильности и уровню пульсаций. Поэтому для электропитания таких устройств с успехом можно применять простейшие ключевые стабилизаторы напряжения, (ключевой стабилизатор напряжения) релейного типа. Они имеют более высокий КПД, меньшие габариты и массу по сравнению с традиционными стабилизаторами непрерывного регулирования, а правильно выполненный монтаж ключевой стабилизатор напряжения позволяет избежать проникновения высокочастотных помех в питаемое устройство и первичную сеть.

На рис. 1 приведена принципиальная схема ключевой стабилизатор напряжения релейного типа. При высоких энергетических показателях качество выходного напряжения позволяет питать от него электронные устройства, выполненные на цифровых ИМС серий К130, К133, К155, К555 и им подобным. Стабилизатор напряжения снабжен защитой от перегрузок по току и коротких замыканий на выходе с автоматическим возвратом в рабочий режим при снятии перегрузки.

Основные параметры ключевой стабилизатор напряжения
Входное напряжение 15...22 В
Выходное напряжение 5 В
Ток срабатывания защиты 11 А
Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки Iн =10A во всем диапазоне питающих напряжений (двойной размах) <100 мВ
Рабочая частота 20 кГц

Рассмотрим работу ключевой стабилизатор напряжения. При подаче на вход напряжения в цепи базы транзистора VT4 появляется ток и транзистор VT6 открывается. Ток через обмотку I дросселя L2 начинает возрастать, заряжая конденсаторы G14 — С19. При некотором напряжении U1на базе 7 транзистора VT7 последний открывается и открывает транзистор VT3, который закорачивает переход база-эмиттер транзистора VT4. Это приводит к запиранию транзистора VT6. Так как ток в обмотке I дросселя L2 не может прерваться мгновенно, открывается диод VD4, который обеспечивает непрерывность тока через дроссель во время закрытого состояния транзистора VT6. После закрывания транзистора VT6 ток в обмотке I дросселя L2 начинает убывать, а напряжение на конденсаторах С14 — С19 продолжает возрастать до момента, когда IL2 =Ih. После этого выходное напряжение начинает уменьшаться. При его значении, равном U2<U1, правый по схеме транзистор сборки VT7, а следовательно, и VT3, закрываются, транзисторы VT4— VT6 открываются. Диод VD4 тоже закрывается. Ток через дроссель начинает возрастать, а выходное напряжение продолжает уменьшаться до момента, когда IL2=Ih, после чего также начинает возрастать. Далее процессы повторяются. Цепочка R18C13 задает некоторую, задержку сигнала обратной связи и определяет частоту переключения ключевой стабилизатор напряжения.

Рис.1 Ключевой стабилизатор напряжения релейного типа 

Для получения указанного тока, нагрузки применен составной транзистор VT4—VT6. Чтобы добиться мини-мального значения напряжения насыщения транзистора VT6 следовательно, и максимального КПД), в схеме ключевой стабилизатор напряжения используется искусственное смещение коллектора VT5 и эмиттера VT4 относительно коллектора VT6 стабилизированным напряжением. Оно вырабатывается од-нополупериодными выпрямителями VD2C9 и VD3C10C11 соответственно. Стабилизация обеспечивается тем, что подзарядка указанных конденсаторов происходит во второй такт работы ключевой стабилизатор напряжения, когда транзистор VT6 закрыт, а диод VD4 — открыт (в этот интервал времени справедливо равенство: UL21=Uвых+Uvd4= const и напряжение на первичной обмотке дросселя L2 практически постоянно).

Узел защиты от токовых перегрузок выполнен на транзисторах VT1 и VT2. При токе нагрузки Iн=Iз транзистор VT1 открывается настолько, что напряжение на базе транзистора VT2.1 начинает уменьшаться, и при его некотором значении U1' триггер Шмитта, выполненный на транзисторах VT2.1 и VT2.2, устанавливается в состояние, когда VT2.1 закрыт, VT2.2—открыт. Транзистор VT3 открывается, a VT4 — VT6 — закрываются:ключевой стабилизатор напряжения выключается (Uвых=О, Iн=О). Так как транзистор VT1 также закрывается, напряжение на базе транзистора VT2.1 начинает возрастать (конденсатор 05 заряжается через резистор R1) и при некотором/его значении U2'>U1' триггер Шмитта возвращается в первоначальное состояние: ключевой стабилизатор напряжения включается. Если. Iн>Iз, то ключевой стабилизатор напряжения будет периодически выключаться с частотой около

3 Гц до тех пор, пока перегрузка не прекратится. Режим короткого замыкания на выходе не является опасным для рассматриваемого ключевой стабилизатор напряжения.

ключевой стабилизатор напряжения, как и всякое импульсное устройство, является потенциальным источником помех, которые могут проникать как в нагрузку, так и а первичную сеть. Для ослабления этого нежелательного эффекта на входе и выходе ключевой стабилизатор напряжения включены П-образные фильтры.

На рис. 2,а показана зависимость КПД от тока нагрузки, а на рис. 2,6 -зависимость выходного напряжения от тока нагрузки при различных значениях входного напряжения. Как видно из графиков, ключевой стабилизатор напряжения имеет вполне удовлетворительную для цифровых ИМС стабильность выходного напряжения.

В конструкции ключевой стабилизатор напряжения используются в основном стандартные элементы, типы и номиналы которых приведет ны на принципиальной электрической схеме. Резистор R4 представляет собой параллельное соединение трех одноваттных резисторов сопротивлением 0,1 Ом, например С5-16 В. Можно применить и самодельный резистор из толстой высокоомной проволоки. Дроссели LI —L3 — самодельные. Каждый из дросселей L1 и L3 представляет собой отрезок изолированного многожильного провода сечением 1,5...2 мм2, пропущенного через четыре ферритовых кольца марки М2000НМ1 типоразмера К16Х8Х6 с. зазором 0,1 мм каждое. Провод внутри колец располагается коаксиально, зазоры находятся на одной линии. Дроссель L2 изготавливается следующим образом: для броневого сердечника Б36 из феррита марки М2000НМ1 делается-разборный каркас катушки. Первичная обмотка наматывается «канатиком» из двадцати проводов типа ПЭВ-1 диаметром 0,4 мм и имеет 15 витков. Вторичная обмотка состоит из двух секций: первая секция имеет 6 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,8 мм, вторая—2 витка провода ПЭВ-1 диаметром 0,4 мм. Конец первой и начало второй секций соединены. Метка на схеме стоит у начала первой секции обмотки. Намотанная таким образом катушка заливается эпоксидной смолой и потом освобождается от каркаса. После монтажа ее в сердечник в последнем устанавливают зазор 0,3 мм с помощью шайбы из изоляционного материала (например, слюды, стеклотекстолита). Винт, скрепляющий чашки сердечника, тоже желательно взять из изоляционного или, по крайней мере, из немагнитного материала (медь, латунь). Иначе это приведет к дополнительным потерям на нагрев винта. Конденсаторы С1— С4, С12, С13 и С20 — С23 — керамические КМ-6б, С6—С11 и С14 —С19 — электролитические танталовые К52-1. Их можно заменить другими, например К50-24, К50-29. Можно использовать и конденсаторы К50-16, К50-6, однако размеры фильтров при этом несколько увеличатся и изменится рисунок печатной платы. Ста-билитрбн VD1 — термокомпенсированный серии Д818. В противном случае при прогреве ключевой стабилизатор напряжения выходное напряжение будет изменяться. Возможна замена этого стабилитрона на другой, например КС191. Транзистор КТ947А можно заменить на транзисторы КТ935, КТ912, диод КД219А —на КД213. Входное напряжение может быть повышено до 25 В, однако при этом КПД ключевой стабилизатор напряжения несколько уменьшится. Переменный резистор R13 —СП4-1 с валом длиной 12 мм.

Рис. 2, а Зависимость КПД от тока нагрузки; б -зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.

Во время настройки ключевой стабилизатор напряжения следует помнить, что вокруг дросселей LI — L8 действует сильное электромагнитное поле, так как сердечник этих дросселей имеют зазоры. Поэтому при наблюдении процессов, происходящих в ключевой стабилизатор напряжения, на экране осциллографа будут видны импульсные помехи, обусловленные наводками на кабель осциллографа. Для того чтобы увидеть реальные процессы, нужно кабель осциллографа заэкранировать. Длина неэкранированных выводов кабеля должна быть минимальна. В процессе настройки, может быть, придется заземлцть осциллограф и радиатор в одной точке. Для наблюдения процессов в ключевой стабилизатор напряжения желательно исполь-вовать высокочастотный осциллограф с низкоомным входом, например С1-75.

Настройка ключевой стабилизатор напряжения проста. К стабилизатору подключают резистор сопротивлением около 2 Ом и с мощностью, рассеяния около 15 Вт. Затем подается входное напряжение Uвх=20 В. Если все элементы ключевой стабилизатор напряжения исправны, то он начинает работать сразу. Резистором R13 подстраивают уровень входного напряжения до значения 5 В. Далее устанавливают минимальное значение вход-ногЬ напряжения Uвх= 15 В и, изменяя емкость конденсатора С13, добиваются того, чтобы частота была около 20 кГц (проверяют по отсутствию «писка» дросселя L2 ключевой стабилизатор напряжения). Далее контролируют работу ключевой стабилизатор напряжения при максимальном токе нагрузки, а также при Iн>=Iз. Минимальный ток нагрузки зависит от обратного тока коллектора транзистора VT6 и может составлять несколько десятков миллиампер. В авторском экземпляре ключевой стабилизатор напряжения минимальный ток нагрузки был равен нулю. Во время длительной работы ключевой стабилизатор напряжения С вертикальным расположением пластины радиатора при токе нагрузки Iн=10 А и температуре окружающей среды 20°С температура радиатора не превышала 60 °С.