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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Schaltspannungsstabilisator mit erhöhtem Wirkungsgrad
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Überspannungsschutz Der Artikel beschreibt einen leistungsstarken Schaltregler mit hohem Wirkungsgrad, der auf einer speziellen UC3843-Mikroschaltung hergestellt wird. Das Gerät verfügt über einen Überstromschutz. Das Problem der Effizienzsteigerung von Netzteilen ist insbesondere bei Hochleistungswandlern mit niedriger Ausgangsspannung (3...5V) relevant. Es wurde mit modernen Fremdelementen gelöst: einem speziellen Steuermikroschaltkreis; Dioden mit geringem Spannungsabfall und geringer Erholzeit; Feldeffekttransistoren mit niedrigem Einschaltwiderstand. Die Abbildung zeigt ein Diagramm eines leistungsstarken Schaltspannungsreglers mit Überstromschutz.
Wichtigste technische Merkmale
Der Stabilisator verwendet einen UC3843-Steuerchip von UNITRODE CORP (eine ausführliche Beschreibung finden Sie im Buch „Integrated Circuits: Mikroschaltungen für Schaltnetzteile und ihre Anwendungen“. – M.: DODEKA. 1997). Hier konzentrieren wir uns nur auf die Hauptfunktionen seiner Knoten, die an der Funktion des Stabilisators beteiligt sind. Die Mikroschaltung UC3843 enthält einen Startknoten, der bei einer Versorgungsspannung von mehr als 7,5...8 V (Pin 7) alle Knoten vom Standby-Modus in den Arbeitszustand schaltet. Dabei erzeugt die Referenzspannungsquelle (Pin 8) eine stabilisierte Spannung von 5 V und der Masteroszillator (Pin 4) eine Sägezahnspannung, deren Frequenz und Verhältnis der Anstiegs- und Abfallzeiten durch die Werte bestimmt werden der Elemente R3 und C10. Der ausgangsstarke Pufferverstärker (Pin 6) erzeugt eine rechteckige Steuerspannung mit einer Amplitude, die geringfügig unter der Versorgungsspannung der Mikroschaltung liegt. Seine Frequenz, Pulsdauer und Pausen stimmen mit ähnlichen Parametern der Sägezahnspannung des Master-Oszillators überein. Der Steuerchip implementiert ein Pulsweitenverfahren zur Stabilisierung der Ausgangsspannung. Zu diesem Zweck enthält es einen Vergleichsknoten auf dem Betriebssystem. Ein Teil der Referenzspannung (2.5 V) wird einem Eingang zugeführt, und ein Teil des Ausgangs des Widerstandsspannungsteilers R1R4 wird dem anderen zugeführt. Elemente R2C8 – die Korrekturschaltung dieses Verstärkers. Bei der Regelung beginnt die Dauer des Ausgangsimpulses im Vergleich zum Original abzunehmen, sobald die Spannung an Pin 2 der Mikroschaltung 2,5 V überschreitet. Die Frequenz der Impulse bleibt konstant. Um den Stabilisator vor Überstrom zu schützen, ist in der Mikroschaltung ein Hochgeschwindigkeitskomparator vorgesehen. An einen seiner Eingänge wird eine beispielhafte Spannung von 1 V von der eingebauten Quelle angelegt, und an den anderen (Pin 3) wird eine Spannung angelegt, die proportional zum Strom ist, der durch den offenen Transistor VT2 fließt. Diese Spannung bildet den Stromtransformator T1, dessen Primärwicklung in Reihe mit dem Transistor VT2 geschaltet ist. Wenn es geöffnet ist. Durch die Sekundärwicklung des Transformators, die Diode VD1 und den Widerstand R5 fließt ein Strom, der k-mal kleiner ist als der Strom der Primärwicklung, wobei k = wp / w1 das Übersetzungsverhältnis T1 ist. Dadurch entsteht am Widerstand R5 eine Spannung, die genau die Form des Stroms des Transistors VT2 wiederholt. Deren Momentanwert zu jedem Zeitpunkt wird anhand des Ausdrucks bestimmt: Ur5 = lvT2·R5/k. Zu Beginn jeder Periode öffnet die Steuerausgangsspannung der Mikroschaltung den Transistor VT2, und wenn die Spannung an Pin 3 1 V erreicht, wird er zum Schließen gezwungen. Bei einer Überlastung des Stabilisators findet dieser Vorgang in jeder Periode statt und verhindert so einen Stromanstieg durch den Transistor VT2. und damit durch die Last. IRF4905 – p-Kanal-Feldeffekttransistor von INTERNATIONAL RECTIFIER. Sein Leerlaufwiderstand beträgt etwa 20 mΩ. und die Verzögerung beim Öffnen und Schließen beträgt weniger als 0,1 μs. Solche Eigenschaften erhält es nur, wenn es von einem leistungsstarken Impulsverstärker gesteuert wird, der einen großen (mehrere A) Umladestrom der Gate-Source- und Gate-Drain-Kapazitäten liefert. Im betrachteten Spannungsregler besteht dieser Verstärker aus Mikromontagetransistoren VT1.1, VT1.2. Darüber hinaus invertiert es das von der Mikroschaltung erzeugte Steuersignal. Der Ausgangsglättungsfilter wird durch die Kondensatoren C12–C17 gebildet. Ihre Anzahl (sechs) und die Wahl des Typs reichen für eine hochwertige Filterung der Ausgangsspannung ohne zusätzlichen Hochfrequenzfilter aus. Der U-förmige Eingangsfilter ist erforderlich, um hochfrequente Störungen zu unterdrücken, die aufgrund der gepulsten Natur des vom Stabilisator verbrauchten Stroms auftreten. Durch die Verwendung einer Schottky-Diode mit geringem Spannungsabfall und einer Erholungszeit von etwa 2 μs als VD0,05 wurde es möglich, Schaltverluste zu reduzieren und gleichzeitig die Effizienz des Stabilisators zu erhöhen. Das Gerät besteht mit Ausnahme der Wicklungen aus Standardelementen. Der Induktor L1 ist auf einen K10x6x4.5-Ring aus Permalloy MP 140 gewickelt und enthält 5 Windungen in 6 Drähten PEV 0,5. gleichmäßig über den gesamten Umfang des Rings verteilen. Die Drossel L2 besteht aus dem Ring K19X11x4,8 aus demselben Material und enthält 12 Windungen mit 10 Drähten mit demselben Durchmesser. Der Transformator T1 ist auf einen K1Ox6x2000-Ring aus Ferrit 1NM0.2 gewickelt. Die Sekundärwicklung besteht aus PEV 200-Draht und enthält 2 Windungen, die gleichmäßig über den gesamten Umfang des Rings verteilt sind. Die Primärwicklung ist ein durch das Loch des Rings verlaufender Draht, dessen Enden jeweils den Pluspol der Kondensatoren C7-C2 und die Source des Transistors VTXNUMX verbinden. Beim Anschluss eines Transformators muss sorgfältig auf die richtige Phasenlage der Wicklungen geachtet werden. Zur hochwertigen Filterung hochfrequenter Störungen werden bleifreie Tantalkondensatoren (C 1-C7, C12-C17) im Gehäuse D (Kondensatoren zur Oberflächenmontage) von NEC, NICHCON, TDK usw. verwendet. Aus heimischen Oxidkondensatoren K53 -28, K53-25, K53-22. Zwar müssen die letzten beiden Kondensatortypen nach der Installation versiegelt werden. Der Stabilisator muss bei qualitativ hochwertiger Montage natürlich nicht angepasst werden. Zu den Besonderheiten des Betriebs der DA1-Mikroschaltung gehört die Tatsache, dass sie nicht gerne bei Arbeitszyklen von Steuerimpulsen von weniger als 2, d. h. niedriger Versorgungsspannung, arbeitet. Dies äußert sich darin, dass die Impulspaare benachbarter Perioden bei gegebener Versorgungsspannung eine unterschiedliche, aber konstante Dauer haben. Tatsächlich bedeutet dies, dass die Form der Ausgangsspannungswelligkeit eine weitere Hüllkurve bei einer Frequenz erhält halbe Frequenz des Hauptoszillators. Diese Funktion kann beseitigt werden, indem zwischen den Anschlüssen 3 und 4 einer seriellen Mikroschaltung ein Widerstand mit einem Widerstand von 0,1 ... 2 kOhm und ein Kondensator mit einer Kapazität von 1000 ... 10000 pF angeschlossen werden. Die Frequenz dieser „parasitären“ Schwingungen ist jedoch hoch, erhöht die Amplitude der Ausgangsspannungswelligkeit praktisch nicht und beeinflusst die dynamischen Eigenschaften des Stabilisators insgesamt nicht. Der Schaltregler muss auf einer Leiterplatte mit kurzen und breiten Leitern montiert werden. Je kleiner es ist, desto geringer sind die induzierten Störungen, die maßgeblich die Stabilität des gesamten Geräts bestimmen. Der Transistor VT2 und die Diode VD2 sind auf einem Kühlkörper mit einer effektiven Oberfläche von mindestens 100 cm2 installiert. Um induzierte Störungen zu reduzieren, sollten diese Elemente durch isolierende Abstandshalter installiert werden und der Kühlkörper selbst elektrisch mit dem Minus verbunden sein Anschluss der Kondensatoren C2 - C7. Der rechte Ausgang des Induktors 12 gemäß Diagramm sollte mit dem positiven Ausgang des Kondensators C12 verbunden werden, und der Ausgang des Widerstands R4, rechts gemäß Diagramm, mit dem positiven Ausgang des Kondensators C17. Außerdem versorgt er die Last mit Ausgangsspannung. Das Stabilisatorlayout wurde auf einer doppelseitigen Leiterplatte mit der Größe 60x90 mm und einer Dicke von 2 mm erstellt. Auf der Oberseite der Platine befinden sich „hohe“ Elemente: Drosseln, ein Transformator, eine Mikroschaltung, und auf der „unteren“ Seite befinden sich filternde Tantalkondensatoren, eine VT1-Transistorbaugruppe, ein VT2-Transistor und eine VD2-Diode mit Flanschen nach außen . Durch sechs gleichmäßig über den Umfang verteilte Löcher wird die Platine mit einer Aluminium-Kühlkörperplatte in der gleichen Größe und 3 mm Dicke wie die Platine verschraubt. Das Ergebnis war ein flaches Design mit einer Dicke von 18 mm. Für eine effektive Kühlung ist der Stabilisator vertikal eingebaut. Autor: A.Mironov, Lyubertsy, Gebiet Moskau
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