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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Leistungsstarker schaltender Gleichspannungsregler. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Überspannungsschutz Eine besondere Klasse unter den Impulsspannungsstabilisatoren bilden Geräte mit einem Impulsbreitenprinzip (PW) zur Regelung der Ausgangsspannung. Ihre besondere Eigenschaft ist die Konstanz des Welligkeitspegels über den gesamten Laststrombereich. Es ist möglich, den Stabilisator mit den mit Strom versorgten digitalen Geräten zu synchronisieren, was in einigen Fällen die Frage ihrer Kompatibilität vereinfacht. Der Stabilisator dient zur Stromversorgung elektronischer Geräte, die auf digitalen Chips basieren. Es verfügt über einen Sanftanlauf ohne Ausgangsspannungsstöße, einen zweistufigen Laststromschutz mit automatischer Rückkehr in den Betriebsmodus nach Beseitigung der Überlastung und ist in der Lage, sich über einen längeren Zeitraum im Ausgangsstromkreis-Schließmodus zu befinden. Das schematische Diagramm des Stabilisators ist in Abb. 1 dargestellt
Auf den Elementen DD1.1, DD1.2 wird ein Taktgenerator aus Rechteckimpulsen hergestellt. Eine Schaltung bestehend aus dem Widerstand R9 und der Eingangskapazität des Elements DD2.2 erzeugt eine gewisse Zeitverzögerung der Impulse. Somit liegt am Ausgang des Elements DD2.2 ein Rechtecksignal an, das gegenüber dem Signal am Ausgang des Elements DD1.1 um 0,4...0,5 μs verzögert ist. Die Pulsweitensteuereinheit besteht aus den Elementen DD1.3, DD2.1, DD2.2 und dem Trigger DD3.1. Steuerimpulse für das Schlüsselelement des Stabilisators werden vom Trigger DD3.1 erzeugt. An der Flanke des verzögerten Impulses des Generators schaltet der Trigger in den Einzelzustand. Die Schaltung R2C2 erzeugt am oberen Eingang des Elements DD2.1 dreieckige Spannungsimpulse mit einer Amplitude von etwa 100 mV. Der Trigger wechselt am R-Eingang in den Zustand 0. Beim Starten ist die Ausgangsspannung im ersten Moment Null und am Eingang (Pin 2) des DD2.1-Elements wirken nur dreieckige Impulse, deren Amplitude geringer ist als die Schwellenspannung des Elements (für CMOS-Mikroschaltungen, die in verwendet werden). des Stabilisators beträgt sie 0,55...0,6 ihrer Versorgungsspannung). Am unteren Eingang des Elements DD1.3 ist ein einzelnes Signal aktiv und der Trigger DD3.1 schaltet in den Nullzustand, wenn am Ausgang des Elements DD1.1 ein Low-Pegel-Signal erscheint. In diesem Fall ist die Dauer eines einzelnen Zustands des DD3.1-Triggers maximal und liegt nahe an der Halbwelle der Generatorschwingungen, was der maximalen Zeit des offenen Zustands des Schlüsselelements entspricht. Wenn die Ausgangsspannung den Regelbereich erreicht, hat die Spannung am oberen Eingang des DD2.1-Elements Zeit, auf den Schwellenwert anzusteigen, bevor am oberen Eingang des DD1.3-Elements ein Impulsabfall auftritt und die Dauer von Der Einzelzustand des DD3.1-Triggers sinkt auf den Wert im eingeschwungenen Zustand. Ab diesem Moment stoppt der Anstieg der Ausgangsspannung – das Gerät geht in den Stabilisierungsmodus. Wenn aus irgendeinem Grund (z. B. ein starker Abfall des Laststroms) die Ausgangsspannung ansteigt, wird der einzelne Ausgangsimpuls des Triggers noch kürzer und die Ausgangsspannung des Stabilisators nähert sich wieder ihrem stabilen Wert. Der Ausgang des SHI-Steuergeräts ist über die Transistoren VT2, VT3 mit dem Eingang eines Impulsverstärkers verbunden, bei dem es sich um einen geregelten stabilen Stromgenerator mit Transformatorausgang handelt. Der Strom durch die Sekundärwicklung des Transformators T3 wird durch den Widerstandswert des Widerstands R11 bestimmt und beträgt etwa 1,5 A. Durch die Steuerung des Schlüsseltransistors VT4 vom Stromgenerator können Sie dessen Schaltvorgänge beschleunigen und einen niedrigen Sättigungsspannungswert erzielen. Wenn sich der Auslöser DD3.1 im Einzelzustand befindet, sorgt der Stromgenerator während des Ausgangsimpulses der Steuereinheit für einen konstanten Strom durch die Primärwicklung des Transformators T3. In der Primärwicklung entsteht ein linear ansteigender Anteil des Magnetisierungsstroms. Die Induktivität der Primärwicklung des Transformators T3 ist so gewählt, dass der Maximalwert des Magnetisierungsstroms 10...15 % des Kollektorstroms des Transistors VT2 nicht überschreitet. Somit bleibt der Basisstrom des Transistors VT4 im geöffneten Zustand praktisch unverändert. Nachdem der Transistor VT2 geschlossen ist, wird der Transformator T3 von der Stromquelle getrennt und die Magnetisierungsstromkomponente beginnt abzunehmen und fließt durch den VD8VD9R15-Kreis. Dies führt zu einer Änderung der Spannungspolarität an beiden Wicklungen des Transformators. Durch Anlegen einer negativen Spannung an den Emitterübergang des Transistors VT4 wird dessen erzwungenes Schließen sichergestellt. Technische Eigenschaften
Wenn der Transistor VT4 geschlossen ist, wird die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung an die Induktivität L3 angelegt und der Strom durch sie steigt. Nach dem Schließen des Transistors VT4 kann der Strom in der Induktivität nicht sofort unterbrochen werden, daher öffnen die Dioden VD11, VD12 und bilden einen Stromkreis für den Stromfluss. Bei dem angegebenen Induktivitätswert beträgt die Amplitude. Der Wechselanteil des Induktorstroms (und damit der Filterkondensatoren C10-C13) beträgt 3 A mit einem durchschnittlichen Stromwert von bis zu 15 A. Um die Welligkeit der Ausgangsspannung zu reduzieren, ist es notwendig, den Filter durch Anschließen mehrerer zusammenzubauen Kondensatoren parallel geschaltet. Zur besseren Glättung ist zusätzlich ein L4C14-Filter eingebaut, der die Welligkeitsamplitude um das 3...5-fache reduziert und das Eindringen hochfrequenter Störungen in die Last verhindert. Um dynamische Verluste im Transistor VT4 beim Schalten zu reduzieren, wurden zusätzliche Elemente T2, VD5, C7, L2 und die Schaltung C9R16VD10 in das Gerät eingeführt. In jeder Betriebsperiode des Geräts, wenn der Transistor VT4 geöffnet wird, erreicht seine Sättigungsspannung in mehreren zehn Nanosekunden seinen stationären Wert. Die Diode VD10 ist geschlossen und hat keinen Einfluss auf die Abfallgeschwindigkeit dieser Spannung. Der Kollektorstrom des Transistors VT4 steigt mit einer Geschwindigkeit an, die durch die Induktivität der Primärwicklung des Transformators T2 bestimmt wird, und erreicht in einer Zeit von etwa 12 μs einen Wert von 15...2 A. Somit erfolgt der Anstieg des Kollektorstroms des Transistors VT4 bei einem niedrigen Wert seiner Sättigungsspannung, was die dynamischen Verluste im Transistor beim Öffnen stark reduziert. Nach der angegebenen Zeit ist der Magnetkreis des Transformators T2 gesättigt, die Spannung an seinen Wicklungen sinkt auf Null und bis zum Ende des Zeitraums hat dies keinen Einfluss auf den Betrieb des Stabilisators. Wenn der Transistor VT4 geschlossen ist, ändert die Spannung an den Wicklungen des Transformators T2 das Vorzeichen, die Diode VD5 öffnet und die im Transformator gespeicherte Energie wird in die Ladung des Kondensators C7 umgewandelt. Gleichzeitig beginnt die Spannung zwischen Kollektor und Emitter des Transistors VT4 anzusteigen, die Diode VD10 öffnet und verbindet den Kondensator C9 parallel zu diesem Transistor. Nun wird die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung am Transistor durch die Kapazität des Kondensators C9 bestimmt (die Anstiegszeit beträgt etwa 1 μs). Beim nächsten Öffnen des Transistors VT4 wird dieser Kondensator über den Widerstand R16 entladen. Das Hauptelement des Schutzsystems ist der Laststromsensor am Stromwandler T1. Mit einem einzigen Signal vom Taktgenerator wird der Auslöser des auf den Elementen DD2.3, DD2.4 aufgebauten Schutzgeräts auf Null zurückgesetzt (Pegel 0 am Ausgang des Elements DD2.4). Zu diesem Zeitpunkt ist der Transistor VT4 geschlossen. Beim Öffnen wird dem oberen Eingang des Elements DD2.3 eine linear ansteigende Spannung zugeführt. Wenn der Laststrom unter dem Maximalwert liegt, überschreitet die Spannung am oberen Eingang des Elements DD2.3 den Schwellenwert nicht. Im Falle einer Überlastung erreicht der Kollektorstrom des Transistors VT4 einen Wert, bei dem die Spannung am oberen Eingang des Elements DD2.3 seinen Schwellenwert überschreitet und der Schutzauslöser in den Einzelzustand (Pegel 1 am Ausgang des Elements) wechselt DD2.4). In diesem Fall wird der Trigger DD3.1 auf Null gesetzt und der Transistor VT4 schließt. Der Stabilisator geht in den Laststrombegrenzungsmodus, seine Ausgangsspannung sinkt. Dieser Modus stellt für den Stabilisator keine Gefahr dar (der Kollektorstrom des Transistors VT4 ist begrenzt), kann jedoch für die Last inakzeptabel sein. Zum Schutz der Last wird die zweite Stufe des Schutzsystems eingeschaltet, bestehend aus einer Integrierschaltung VD2R6R10C6 und einem One-Shot-Trigger DD3.2. Der Anfangszustand des DD3.2-Triggers ist Null. Dauert die Überlast länger als 70...150 ms (je nach Multiplizität), erreicht die ansteigende Spannung am Kondensator C6 den Schwellwert und der Trigger DD3.2 wechselt für eine Zeit von ca. 2 s in den Einzelzustand . Ein einzelner Zustand am unteren Eingang des Elements DD2.2 verhindert die Zufuhr von Taktimpulsen zum Trigger DD3.1 und der Stabilisator wird ausgeschaltet. Während dieser Zeit wird der Kondensator C6 über den Widerstand R10 entladen, der Kondensator C8 über den Widerstand R13 auf den Schwellwert aufgeladen und der Trigger DD3.2 in seinen ursprünglichen Zustand versetzt. Der Stabilisator startet automatisch. Wenn die Überlastung nicht behoben wird, wird der Vorgang wiederholt. Der Ansprechstrom des Schutzsystems kann durch Wahl des Widerstands R7 in weiten Grenzen variiert werden. Wenn der Widerstand zunimmt, nimmt der Strom proportional ab. Eine hohe Stabilität der Ausgangsspannung wird durch die Stromversorgung des SHI-Steuergeräts über einen parametrischen Stabilisator auf Basis einer Zenerdiode VD4 gewährleistet, der von einem Stromgenerator VT1 VD1 gespeist wird. Abbildung 2 zeigt grafisch die Abhängigkeit des Wirkungsgrades des Stabilisators vom Laststrom bei drei charakteristischen Werten der Versorgungsspannung. Es ist leicht zu erkennen, dass der Wirkungsgrad im Laststrombereich von 3...8 A sein Maximum hat. Wenn der Stabilisator bei einem Laststrom im Bereich von 10...15 A eingesetzt werden soll, dann ist dies der Fall Es empfiehlt sich, das Maximum seines Wirkungsgrades in Richtung eines höheren Stroms zu verschieben, indem man den Widerstand R11 durch einen anderen mit einem Widerstand von 2,2...2,4 Ohm ersetzt.
Abbildung 3 zeigt die Belastungskennlinie des Stabilisators. Die Grafik zeigt, dass die Stabilität der Ausgangsspannung sehr hoch ist (5 V ±2 %) und ausreicht, um Geräte zu versorgen, die auf digitalen Mikroschaltungen jeder Serie basieren.
Die Transformatoren T1-T3 und die Drosseln L2, L4 sind auf Ringmagnetkernen der Standardgröße K20x12x6 aus 2000NM1 Ferrit gefertigt. Im Magnetkern des Transformators T2 und der Drosseln L2, L4 ist ein nichtmagnetischer Spalt von 0.4 mm Breite vorzusehen. Dazu ist es am besten, den Ring mit einer Diamantscheibe in zwei Hälften zu schneiden oder im Extremfall zu spalten und ihn dann wieder zusammenzusetzen, indem man in beide Schnitte eine 0,2 mm dicke Dichtung aus mehreren Lagen dünnem, reichlich imprägniertem Papier einlegt mit Epoxidharz. Nach dem Verbinden der Hälften des Magnetkreises werden diese fest zusammengedrückt und das Harz lässt man aushärten. Überschüssiges ausgehärtetes Harz wird mit einer Feile entfernt. Die Drossel L4 ist auf zwei ähnliche Ringe gewickelt, die so zusammengefaltet sind, dass ihre Lücken notwendigerweise übereinstimmen. Wicklung 1 des Transformators T1 besteht aus einer Windung einer Litze mit einem Querschnitt von mindestens 1 mm2. Da es sehr wichtig ist, eine maximale elektromagnetische Kopplung zwischen den Wicklungen sicherzustellen, kann diese Windung nicht auf dem kürzesten Weg zwischen Anfang und Ende gewickelt werden. Es wird auf einen Magnetkreis (umwickelt mit mehreren Lagen lackiertem Stoff) gelegt, so dass Anfang und Ende der Windung nebeneinander auf der Außenseite des Ringzylinders liegen und die Mitte an den am weitesten davon entfernten Punkt angrenzt Anfang und Ende auf der Innenfläche des Ringlochs. Wicklung II enthält 200 Windungen PEV-1 0,1-Draht. Wicklung 1 des Transformators T2 enthält 7 Windungen Litzendraht mit einem Querschnitt von mindestens 1 mm2, Wicklung II - 7 Windungen PEV-1 0,68-Draht. Wicklung I des T3-Transformators enthält 120 Windungen PEV-1 0,25-Draht und Wicklung II enthält 10 Windungen PEV-1 0,68-Draht. Drossel L1 - D-0,1. Sie können einen anderen mit einem zulässigen Strom von mindestens 30 mA verwenden. Die Wicklung des Induktors L2 enthält 35 Windungen PEV-1-Draht 0,68 mm und der Induktor L4 enthält 5 Windungen Litzendraht mit einem Querschnitt von mindestens 2 mm2. Der L3-Induktor besteht aus einem gepanzerten B48-Magnetkern aus 2000NM1-Ferrit mit einem Spalt von 0,6 mm im Mittelstab. Seine Wicklung enthält 10 Windungen und besteht aus einem Bündel von 25 PEV-1 0,44-Drähten. Der Wirkwiderstand der Wicklung beträgt ca. 4 MOhm. Der Durchschnittswert des durch die Induktivität L2 fließenden Stroms beträgt 2 A, L3, L4 - 18 A. Die im Gerät verwendeten Mikroschaltungen können durch ähnliche aus der K564-Serie ersetzt werden. Kondensatoren C7 C10-C14 - K50-24. Anstelle dieser können Sie K50-27, K50-29, K50-31, K52-1 verwenden. Kondensatoren C8, C4 - K50-6, der Rest stammt aus der KM-Serie. Festwiderstände - MLT, Trimmwiderstand R18 - SP14-1. Beim Testen des Geräts werden die Transistoren VT2, VT4 und die Dioden VD5, VD11 verwendet. VD13 wurden auf einem gemeinsamen Plattenkühlkörper aus Duraluminium mit einer Dicke von 5 mm und einer Oberfläche von 400 cm2 installiert. Während des Langzeitbetriebs des Stabilisators mit einem Laststrom von 15 A und einem vertikalen Kühlkörper überschritt seine Temperatur 50 °C nicht.
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