Стабилизатор-регулятор постоянного напряжения

ВведениеИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

4

1206.435051.000ПЗ

 

Регуляторы-стабилизаторы  напряжения или других параметров электроэнергии в цепях постоянного тока выполняются  преимущественно на основе полупроводниковых  приборов. Большинство типов регуляторов-стабилизаторов по принципу действия могут быть разделены  на три группы: параметрические, непрерывного действия и импульсные, или ключевые.

На выходное напряжение преобразователя  электроэнергии влияют различные факторы: изменение входного напряжения и  тока нагрузки, температура окружающей среды и др. Поскольку они вызывают изменения выходного напряжения, их в этом смысле называют возмущающими. Точность поддержания напряжения при  воздействии различных возмущающих  факторов характеризуется соответствующими параметрами стабилизации.

Импульсный стабилизатор напряжения — это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент  работает в ключевом режиме[1], то есть бо́льшую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением, а значит может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.

 

 

 

 

 

 

 

1. Структурная схема проектаИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

1206.435051.000ПЗ

 

 

По принципу действия различают стабилизаторы  непрерывного действия и импульсные. Каждый из них  имеет отличные компоненты и предназначение. Однако, исходя из условия, предоставленного заданием курсового  проектирования, остается вариант импульсного  стабилизатора. Лишь данный способ построения сможет обеспечить приемлемое значение КПД > 90%.

Для построения воспользуемся стандартной схемой импульсного стабилизатора —  регулятора напряжения, изображенной на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Структурная схема  импульсного стабилизатора —  регулятора

 

 

Как видно  из структурной схемы, в рамках проекта  придется реализовать следующие  блоки:

1. Входной фильтр. Сглаживает скачки напряжения при коммутации вентилей
2. Управляемый ключевой элемент. Предназначен для коммутации нагрузки в соответствии с сигналом поступающим с блока ШИМ.
3. Широтно—импульсный модулятор. Данный блок принимает сигнал обратной связи и сравнивает его с сигналом опорного напряжения. По результатам рассогласования формируются импульсы различной длительности, обеспечивающие стабильный уровень напряжения на нагрузке.
4. Линейно осредняющий фильтр. Преобразует импульсное напряжение, поступающие с ключевого элемента в постоянное.
5. Обратная связь. Передает сигнал с выхода стабилизатора на ШИМ.

Нагрузка  и питание представляют собой  внешние устройства с заданными  характеристиками, все прочие элементы должны быть рассчитаны исходя из их параметров.

2Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

1206.435051.000ПЗ

. Выбор и расчет узлов  структурной схемы

 

2.1 Ключевой элемент

 

Главная задача ключа — коммутация нагрузки к источнику питания. В выбранном  нами способе подключения ключевой элемент включен последовательно  с нагрузкой. Отсюда следуют следующие  требования к выбору элемента:

• минимальное сопротивление в активном состоянии;
• максимально возможная рассеиваемая мощность;
• максимально допустимый постоянный ток во включенном состоянии должен превышать ток, потребляемый нагрузкой;
• в закрытом состоянии должен выдерживать напряжение питания;
• включение должно обеспечиваться выходным напряжением широтно импульсного регулятора.

 

Наиболее  часто применяется включение  двух биполярных транзисторов по схеме  Дарлингтона. Однако такое включение снижает КПД схемы, т.к. ключевой транзистор находится на границе насыщения и обладает некоторым сопротивлением. При больших токах нагрузки будут наблюдаться значительные потери мощности на элементе, что отрицательно скажется на характеристиках схемы.

Для обеспечения  насыщения ключевого транзистора  используют специальный драйвер. В  качестве него может выступать либо полевой транзистор, либо биполярный транзистор подключенный к источнику постоянного напряжения. Второй вариант потребует введения в схему дополнительного интегрального DC — DC преобразователя, что заметно скажется на габаритах схемы и конечной стоимости. Первый вариант обеспечит приемлемые характеристики, однако, изучив современную элементную базу, можно еще более упростить схему.

В случае высоковольтной схемы целесообразно  использовать iGBT транзисторы. Они обеспечивают коммутацию напряжения в несколько сотен вольт при большом токе нагрузки. Однако в нашем случае их использование не целесообразно.

При данном уровне напряжения 12 В и токе нагрузки 10А наиболее оптимально применение низковольтных MOSFET транзисторов. Они обладают сопротивлением канала порядка единиц миллиампер и током стока до 100 А.

Таким образом, в качестве ключевого  элемента выберем MOSFET транзистор. Наиболее оптимальна по параметрам модель SPP80N03S2L-03. Параметры транзистора:Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

1206.435051.000ПЗ

 

• максимальное напряжение сток — исток 30 В;
• сопротивление канала 2,8 мОм;
• максимальный постоянный ток стока 80 А;
• максимальная рассеиваемая мощность 300 Вт;
• пороговое напряжение затвора 1,6 В.

 

Исходя  из данных характеристик, определим падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии:

 

Рассеиваемая мощность:

 

КПД элемента составит:

 

Для получения  канала с минимальным сопротивлением был выбран транзистор с каналом n-типа. Однако при этом стало невозможно подключение ключа к положительному полюсу источника питания. Напряжение затвор — исток прикладывается к  транзистору относительно индуктивности. Падение напряжения на ней вызывает уменьшение напряжения затвор — исток, что приводит к подзапиранию транзистора и увеличению сопротивления его канала.

Для увеличения КПД переместим транзистор из цепи питания в цепь земли. Таким  образом, напряжение на затвор будет подаваться относительно земли. В результате будет обеспечено надежное отпирание ключа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Статические характеристики ключевого элемента

 

Из них  видно, что для надежного отпирания  ключа требуется напряжение не менее 3 В. При этом максимальное напряжение затвор — исток не может превосходить 20 В. Исходя из данных соображений, далее  будет проведен выбор соответствующего драйвера.

 

2.2 Широтно импульснИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

8

1206.435051.000ПЗ

ый регулятор

 

построение  данного модуля возможно двумя путями:

• с использованием дискретных элементов;
• с использованием интегральных микросхем;

 

Первый  способ достаточно экономичен, однако требует дополнительной настройки  готовой системы. Увеличивается  нагрузка на источник питания,  растут габариты  схемы. Таким образом, построение таких систем с условием минимальных  массогабаритных показателей не оправдано.

В настоящее  время широкое распространение  получили интегральные микросхемы реализующие  функцию широтно импульсного  регулятора. Широкая номенклатура выпускаемых  изделий позволяет выбрать оптимальный  вариант для данного случая.

В ходе исследования современной элементной базы было принято решение воспользоваться  микросхемой LM300 фирмы National Semiconductor.

Микросхема LM300 представляет из себя интегральный монолитный стабилизатор напряжения. Прибор был спроектирован для применения как в источниках питания цифровых устройств, так и для построения прецизионных стабилизаторов напряжения.[3]

Микросхема LM300 может применяться в качестве импульсного стабилизатора с  высоким КПД. Она имеет прекрасные переходные и нагрузочные характеристики, малую величину рассеиваемой мощности в дежурном режиме и не склонна  к генерации при работе как на резистивную, так и на активную нагрузки.[3]

Внутренняя  структура микросхемы представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Внутренняя структура  ШИМ регулятора

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

1206.435051.000ПЗ

 

 

 

Микросхема  имеет следующие контакты:

 

1. CL Регулировка тока КЗ;
2. OUT_B Мощный выход;
3. V_CC Напряжение питания;
4. GND Общий (соединение с корпусом);
5. V_REF Опорное напряжение;
6. FB Сигнал обратной связи;
7. CMP Компенсация;
8. OUT_R Регулируемый выход.

 

Особенности ИМС LM300 NSC:

• Регулировка выходного напряжения 2..30 В
• Нестабильность по напряжению ≤ 1%
• Нестабильность по току 1%
• Регулируемая схема защиты от КЗ
• Выходной ток при использовании внешнего транзистора > 5А

 

 

         Исходя из официальных рекомендаций [3] подключим микросхему по принципиальной  схеме, изображенной на рисунке  4.Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

0

1206.435051.000ПЗ

 

Рисунок 4. Схема включения  ШИМ регулятора

 

  Как видно из внутренней структуры, нерегулируемый выход отделен от источника питания сопротивлением 570 Ом, в следствии чего отпадает необходимость в установке токоограничивающего сопротивления затвора ключевого транзистора.

При напряжении питания 12 В выходной ток:

 .

Исходя  из полученной величины, рассчитаем время включения ключа

 

Учитывая  время, необходимое для выключения

 

Максимальное  время для работы на частоте 1 Кгц:

 

Таким образом, благодаря особенностям внутренней схемотехники схемы регулятора отпадает необходимость в использовании балластного сопротивления. Нерегулируемый выход подсоединяется к ключевому элементу напрямую.

Вход  обратной связи подключается к резистивному делителю напряжения.

Следующие элементы выбраны в соответствии с официальными рекомендациями.

Вход  компенсации подключен к резистивному делителю через конденсатор емкостью 47 пФ.

Вход  опорного напряжения подключен параллельно  фильтрующей цепочке через сопротивление 1МОм.