Описание стабилизатора напряжения с импульсным регулированием

 

Данный стабилизатор напряжения построен на микросхеме TL494 фирмы Texas Unstruments (в схеме - DA1), которая представляет собой регулируемый ШИМ - контроллер.

Для понимания работы схемы, изображенной на рис.4, необходимо ознакомиться с функциональной схемой микросхемы DA1, представленной на рис.3.

 

Рис.3 Функциональная схема микросхемы TL494

стабилизированный напряжение импульсный питание

Рассмотрим состав и назначение функциональных элементов микросхемы:

1. Времязадающий генератор (Oscillator) вырабатывает импульсы для тактирования узлов микросхемы. Частота следования импульсов определяется величинами времязадающих резистора, подключаемого на вывод 6, и конденсатора (вывод 5) и рассчитывается по формуле:

=1/(Rt-Ct)

 

Генератор рассчитан на работу в диапазоне частот 1...300 кГц. При этом рекомендуется выбирать номиналы резистора в диапазоне 1...500 кОм, конденсатора - 470 ПФ...10 мкФ.

2. Компаратор плавного (задержанного) запуска (Dead-Time Comparator) обеспечивает задержку при переключении выходных транзисторов, пока напряжение на выводе 4 больше максимального напряжения на времязадающем конденсаторе. Внутреннее смещение на неинвертирующем входе компаратора составляет порядка 110-120 мВ и обеспечивает минимальное время задержки включения примерно на 3% при заземленном входе 4. При изменении напряжения на этом входе в диапазоне 0...3,3 В, время задержки включения изменяется соответственно от 3 до 100%.

3. Входной компаратор широтно-импульсного модулятора (PWM Comparator) сравнивает пилообразное напряжение на времязадающем конденсаторе с выходным сигналом усилителей ошибки 6 и 7 (выв. 3). При этом для формирования выходного управляющего сигнала напряжение на выходе усилителей ошибки должно быть на 0,7 В выше, чем текущее напряжение на времязадающем конденсаторе (за счет внутреннего смещения 0,7 В). При изменении выходного напряжения усилителей ошибки от 0,5 до 3,5 В ширина выходных импульсов изменяется от 97% до 0.

4. Компаратор (U V Lockout 1) обеспечивает блокировку выходного каскада при напряжении на входе 12 ниже, чем 4,9 В.

5. Компаратор (UV Lockout 2) обеспечивает блокировку выходного каскада при напряжении на входе источника опорного напряжения (выв. 14) ниже, чем 3,6 В.

6. Усилитель ошибки 2 (Error Amplifier 2) предназначен для организации обратной связи. Обычно он используется для организации цепей защиты. Входы усилителей ошибки рассчитаны на диапазон входных напряжений от -0,3 до 2 В, хотя допускается подача и более высоких напряжений. Следует помнить, что при минимальном напряжении на выходе усилителей ошибки достигается максимальная (97%) длительность выходных импульсов.

7. Усилитель ошибки 1 (Error Amplifier 1) предназначен для организации обратной связи. Обычно он используется для организации обратной связи по напряжению.

8. Разделительный диод усилителя ошибки 2 (Error Amplifier Diod).

9. Разделительный диод усилителя ошибки 1 (Error Amplifier Diod).

10. Элемент 4ИЛИ.

11. D-триггер - делитель на два для создания двухфазного выходного сигнала.

12. 13. Элементы 2И, необходимые для блокировки выходных транзисторов с помощью внешней схемы через выв. 13.

. 15. Элементы 2ИЛИ-НЕ, необходимые для реализации парафазного режима.

16.17. Выходные транзисторы. Оба транзистора имеют открытые коллекторные и эмиттерные выводы. Каждый транзистор рассчитан на ток до 200 мА. Выходные транзисторы защищены от превышения мощности рассеивания и имеют каскады ограничения тока, что позволяет использовать их в режиме источника тока.

18. Формирователь опорного напряжения +5 В (5V Reference Regulator). Обеспечивает стабильное напряжение питания в диапазоне входных напряжений 7...40 В.

Теперь рассмотрим принципиальную схему импульсного стабилизатора напряжения, изображенную на рис.4:

 

Рис.4 Принципиальная схема импульсного стабилизатора напряжения

 

Конденсаторы C1,C2 имеют большую емкость (4700 мкФ) и составляют входной фильтр.

Контроллер управления, собранный на микросхеме DA1 с элементами обвязки работает на частоте около 66 КГц. Частота задается элементами R6,C4. Коллекторы выходных транзисторов соединены вместе (выводы 8 и 11) и подключены ко входу питания микросхемы (выв. 12) (однофазный режим). Эмиттеры также соединены (выв. 9, 10) и нагружены на резистор R12, сигнал с которого через резистор R13 подается на затвор полевого транзистора VT3. Второй усилитель ошибки микросхемы не используется, поэтому его входы (15, 16) соединены с выходом опорного напряжения (14). Резистор R9 подключен к инвертирующему входу первого усилителя ошибки (вывод 2), а резистор R10 включен между инвертирующим входом и выходом этого же усилителя ошибки (выв. 2 и 3), таким образом связка R9, R10 задают коэффициент усиления для схемы инвертирующего усилителя, построенного на первом усилителе ошибки и резисторах R9, R10.

Весь ШИМ-контроллер управляет мощным полевым транзистором VT3, работающим в ключевом режиме.

Мощный дроссель L1 и конденсаторы C6,C7, имеющие большую емкость (33000 мкФ) образуют собой выходной фильтр. Диод VD2 разряжает дроссель.

Для питания микросхемы управления имеется линейный стабилизатор на 15В- R11,VT2, VD1, С5. Здесь R11 и VD1 образуют ПСН, задающий постоянное напряжение на базе VT2, а конденсатор C5 - сглаживающий. Выходное напряжение линейного стабилизатора выбрано исходя из рабочего диапазона напряжений питания микросхемы DА1 (7...40 В), а также из того факта, что напряжение на затворе полевого транзистора (около 15В) соответствует току стока примерно 27 А.

В связи с тем, что описываемый стабилизатор имеет общий плюс, а микросхема DА1 предназначена для работы в схемах с общим минусом, возникла необходимость в создании схемы инверсии обратной связи. Она создана на элементах R8, R2, R1, VT1, R3, R4, R5, СЗ. Выходное напряжение импульсного стабилизатора подается на резистор R8, составляющий с резисторами R2, R2A делитель напряжения. Напряжение с этого делителя подается на базу транзистора VT1, инвертируется и с коллектора поступает на делитель R3-R4-R5, с которого подается на неинвертирующий вход первого усилителя ошибки (вывод 1). Резистором R2 устанавливается режим работы транзистора. Резистором R4 устанавливается выходное напряжение импульсного стабилизатора. Таким образом, увеличение выходного (отрицательного) напряжения приведет к увеличению напряжения база-эмиттер транзистора, увеличится ток коллектора, следовательно, увеличится напряжение на делителе R3-R4-R5, и, соответственно, напряжение на входе первого усилителя ошибки, что приведет к сужению выходных импульсов напряжения и снижению выходного напряжения.

Микросхема оптрона DА2, светодиод SD1, два стабилитрона VD3 и VD4 на общее напряжение стабилизации 50 В и резистор R13 образуют цепь защиты от превышения выходного напряжения. Цепь работает следующим образом. При номинальном напряжении на выходе стабилизатора (50 В) стабилитроны не включены, оптрон также выключен и не влияет на работу всей схемы. При превышении выходного напряжения уровня примерно 53 В происходит пробой стабилитронов и включаются светодиод SD1, индицирующий о превышении выходного напряжения, и оптрон DА2. При этом открытый транзистор оптрона подключает ко входу усилителя ошибки источник опорного напряжения +5 В через резистор R7, что приводит к резкому снижению выходного напряжения. Эта цепь используется только в момент включения импульсного стабилизатора, когда конденсатор СЗ разряжен и медленно заряжается через инвертор обратной связи VT1. Сам же конденсатор СЗ необходим для подавления самовозбуждения этого каскада на частоте примерно 3 кГц.