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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Poderoso regulador de tensão DC de comutação. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Protetores contra surtos Entre os estabilizadores de tensão de pulso, uma classe especial é formada por dispositivos com princípio de largura de pulso (PW) para regular a tensão de saída. Sua propriedade distintiva é a constância do nível de ondulação em toda a faixa de corrente de carga. É possível sincronizar o estabilizador com dispositivos digitais alimentados, o que em alguns casos permite simplificar a questão da sua compatibilidade. O estabilizador foi projetado para alimentar equipamentos eletrônicos fabricados em chips digitais. Possui partida suave sem picos de tensão de saída, proteção de corrente de carga em dois estágios com retorno automático ao modo de operação após a remoção da sobrecarga e é capaz de permanecer no modo de fechamento do circuito de saída por um longo período. O diagrama esquemático do estabilizador é mostrado na Fig. 1
Um gerador de clock de pulsos retangulares é feito nos elementos DD1.1, DD1.2. Um circuito que consiste no resistor R9 e na capacitância de entrada do elemento DD2.2 cria algum atraso nos pulsos. Assim, na saída do elemento DD2.2 há um sinal retangular, atrasado em relação ao sinal na saída do elemento DD1.1 em 0,4...0,5 μs. A unidade de controle de largura de pulso é construída nos elementos DD1.3, DD2.1, DD2.2 e no gatilho DD3.1. Os pulsos de controle para o elemento chave do estabilizador são gerados pelo gatilho DD3.1. No limite do pulso atrasado do gerador, o gatilho muda para o estado único. O circuito R2C2 gera pulsos de tensão triangulares com amplitude de cerca de 2.1 mV na entrada superior do elemento DD100. O gatilho muda para o estado 0 na entrada R. Na partida, a tensão de saída no primeiro momento é zero e na entrada (pino 2) do elemento DD2.1 atuam apenas pulsos triangulares, cuja amplitude é menor que a tensão limite do elemento (para microcircuitos CMOS usados em o estabilizador é igual a 0,55...0,6 da sua tensão de alimentação). Um único sinal está ativo na entrada inferior do elemento DD1.3 e o gatilho DD3.1 muda para o estado zero quando um sinal de baixo nível aparece na saída do elemento DD1.1. Neste caso, a duração de um único estado do gatilho DD3.1 é máxima e próxima do meio ciclo das oscilações do gerador, o que corresponde ao tempo máximo do estado aberto do elemento chave. Quando a tensão de saída atinge a zona de regulação, a tensão na entrada superior do elemento DD2.1 terá tempo para aumentar até o valor limite antes que a queda do pulso apareça na entrada superior do elemento DD1.3, e a duração de o estado único do gatilho DD3.1 diminui para o valor em estado estacionário. A partir deste momento, o aumento da tensão de saída é interrompido - o dispositivo entra no modo de estabilização. Se por algum motivo (por exemplo, uma diminuição acentuada na corrente de carga) a tensão de saída aumentar, o pulso de saída único do gatilho se tornará ainda mais curto e a tensão de saída do estabilizador se aproximará novamente de seu valor estável. A saída da unidade de controle SHI é conectada à entrada de um amplificador de pulso usando os transistores VT2, VT3, que é um gerador de corrente estável controlado com saída de transformador. A corrente através do enrolamento secundário do transformador T3 é determinada pela resistência do resistor R11 e é igual a aproximadamente 1,5 A. Controlar o transistor chave VT4 do gerador de corrente permite acelerar seus processos de comutação e obter um baixo valor de tensão de saturação. Quando o gatilho DD3.1 está em estado único, o gerador de corrente fornece uma corrente constante através do enrolamento primário do transformador T3 durante o pulso de saída da unidade de controle. Um componente linearmente crescente da corrente de magnetização aparece no enrolamento primário. A indutância do enrolamento primário do transformador T3 é selecionada de forma que o valor máximo da corrente de magnetização não exceda 10...15% da corrente de coletor do transistor VT2. Assim, a corrente de base do transistor VT4, enquanto estiver aberto, permanece praticamente inalterada. Após o fechamento do transistor VT2, o transformador T3 é desconectado da fonte de alimentação e a componente da corrente de magnetização começa a diminuir, fluindo através do circuito VD8VD9R15. Isso leva a uma mudança na polaridade da tensão em ambos os enrolamentos do transformador. A aplicação de uma tensão negativa à junção do emissor do transistor VT4 garante seu fechamento forçado. características técnicas
Quando o transistor VT4 é fechado, a diferença entre a tensão de entrada e de saída é aplicada ao indutor L3 e a corrente através dele aumenta. Após fechar o transistor VT4, a corrente no indutor não pode ser interrompida instantaneamente, portanto os diodos VD11, VD12 se abrem, formando um circuito para o fluxo de corrente. No valor de indutância especificado, a amplitude. o componente alternado da corrente do indutor (e, portanto, dos capacitores do filtro C10-C13) é de 3 A com um valor médio de corrente de até 15 A. Para reduzir a ondulação da tensão de saída, é necessário montar o filtro conectando vários capacitores em paralelo. Para melhor suavização, é instalado um filtro L4C14 adicional, que reduz a amplitude da ondulação em 3...5 vezes e evita a penetração de interferências de alta frequência na carga. Para reduzir as perdas dinâmicas no transistor VT4 ao comutá-lo, elementos adicionais T2, VD5, C7, L2 e circuito C9R16VD10 foram introduzidos no dispositivo. Em cada período de operação do dispositivo, quando o transistor VT4 é aberto, sua tensão de saturação atinge seu valor de estado estacionário em várias dezenas de nanossegundos. O diodo VD10 está fechado e não afeta a taxa de diminuição desta tensão. A corrente de coletor do transistor VT4 aumenta a uma taxa determinada pela indutância do enrolamento primário do transformador T2 e atinge um valor de 12...15 A em um tempo de cerca de 2 μs. Assim, o aumento da corrente de coletor do transistor VT4 ocorre em um valor baixo de sua tensão de saturação, o que reduz drasticamente as perdas dinâmicas no transistor quando ele abre. Após o tempo especificado, o circuito magnético do transformador T2 fica saturado, a tensão em seus enrolamentos diminui a zero e até o final do período não afeta o funcionamento do estabilizador. Quando o transistor VT4 é fechado, a tensão nos enrolamentos do transformador T2 muda de sinal, o diodo VD5 abre e a energia armazenada no transformador é convertida em carga no capacitor C7. Ao mesmo tempo, a tensão entre o coletor e o emissor do transistor VT4 começa a aumentar, o diodo VD10 se abre, conectando o capacitor C9 em paralelo com este transistor. Agora, a taxa de aumento da tensão no transistor é determinada pela capacitância do capacitor C9 (o tempo de aumento é de cerca de 1 μs). Na próxima vez que o transistor VT4 for aberto, este capacitor será descarregado através do resistor R16. O principal elemento do sistema de proteção é o sensor de corrente de carga, feito no transformador de corrente T1. Com um único sinal do gerador de clock, o disparo do dispositivo de proteção montado nos elementos DD2.3, DD2.4 é zerado (nível 0 na saída do elemento DD2.4). Neste momento, o transistor VT4 está fechado. Quando ele abre, uma tensão crescente linearmente é aplicada à entrada superior do elemento DD2.3. Quando a corrente de carga é inferior ao valor máximo, a tensão na entrada superior do elemento DD2.3 não excede o limite. Em caso de sobrecarga, a corrente de coletor do transistor VT4 atinge um valor no qual a tensão na entrada superior do elemento DD2.3 excede seu valor limite e o gatilho de proteção muda para o estado único (nível 1 na saída do elemento DD2.4). Neste caso, o gatilho DD3.1 é colocado em zero e o transistor VT4 fecha. O estabilizador entra no modo de limitação de corrente de carga, sua tensão de saída diminui. Este modo não é perigoso para o estabilizador (a corrente do coletor do transistor VT4 é limitada), mas pode ser inaceitável para a carga. Para proteger a carga, é ligado o segundo estágio do sistema de proteção, composto por um circuito integrador VD2R6R10C6 e um gatilho único DD3.2. O estado inicial do gatilho DD3.2 é zero. Se a sobrecarga continuar por mais de 70...150 ms (dependendo de sua multiplicidade), a tensão no capacitor C6, aumentando, atinge o valor limite e o gatilho DD3.2 muda para o estado único por um tempo de cerca de 2 s . Um único estado na entrada inferior do elemento DD2.2 proíbe o fornecimento de pulsos de clock ao gatilho DD3.1 e o estabilizador é desligado. Durante este tempo, o capacitor C6 é descarregado através do resistor R10, e o capacitor C8 é carregado através do resistor R13 até o valor limite e o gatilho DD3.2 é colocado em seu estado original. O estabilizador inicia automaticamente. Se a sobrecarga não for resolvida, o processo é repetido. A corrente de resposta do sistema de proteção pode variar dentro de amplos limites selecionando o resistor R7. À medida que a resistência aumenta, a corrente diminuirá proporcionalmente. A alta estabilidade da tensão de saída é garantida pela alimentação da unidade de controle SHI a partir de um estabilizador paramétrico baseado em um diodo zener VD4, alimentado por um gerador de corrente VT1 VD1. A Figura 2 mostra graficamente a dependência da eficiência do estabilizador na corrente de carga em três valores característicos da tensão de alimentação. É fácil ver que a eficiência tem um máximo na faixa de corrente de carga de 3...8 A. Se o estabilizador for destinado a ser usado em uma corrente de carga na faixa de 10...15 A, então é aconselhável deslocar o máximo de sua eficiência para uma corrente mais alta substituindo o resistor R11 por outro, resistência 2,2...2,4 Ohm.
A Figura 3 mostra a característica de carga do estabilizador. O gráfico mostra que a estabilidade da tensão de saída é muito alta (5 V ±2%) e é suficiente para alimentar dispositivos feitos em microcircuitos digitais de qualquer série.
Os transformadores T1-T3 e as bobinas L2, L4 são fabricados em núcleos magnéticos anulares de tamanho padrão K20x12x6 feitos de ferrite 2000NM1. No núcleo magnético do transformador T2 e nas bobinas L2, L4, é necessário fornecer uma folga não magnética de 0.4 mm de largura. Para isso, o melhor é cortar o anel ao meio com um disco de diamante ou, em casos extremos, parti-lo e depois remontá-lo, colocando em ambos os cortes uma junta de 0,2 mm de espessura feita de várias camadas de papel fino, ricamente impregnado com resina epóxi. Depois de conectar as metades do circuito magnético, elas são firmemente comprimidas e a resina endurece. O excesso de resina endurecida é removido com uma lima. O acelerador L4 é enrolado em dois anéis semelhantes, dobrados entre si de modo que suas folgas coincidam necessariamente. O enrolamento 1 do transformador T1 é uma volta de fio trançado com seção transversal de pelo menos 1 mm2. Como é muito importante garantir o máximo acoplamento eletromagnético entre os enrolamentos, esta espira não pode ser enrolada na distância mais curta entre seu início e seu fim. Ele é colocado em um circuito magnético (envolto em várias camadas de tecido envernizado) de modo que o início e o fim da volta fiquem próximos um do outro na parte externa do cilindro anular, e o meio fique adjacente ao ponto mais distante de o início e o fim na superfície interna do orifício do anel. O enrolamento II contém 200 voltas de fio PEV-1 0,1. O enrolamento 1 do transformador T2 contém 7 voltas de fio trançado com seção transversal de pelo menos 1 mm2, enrolamento II - 7 voltas de fio PEV-1 0,68. O enrolamento I do transformador T3 contém 120 voltas de fio PEV-1 0,25 e o enrolamento II contém 10 voltas de fio PEV-1 0,68. Acelerador L1 - D-0,1. Você pode usar outro com corrente permitida de pelo menos 30 mA. O enrolamento do indutor L2 contém 35 voltas de fio PEV-1 0,68 mm, e o indutor L4 contém 5 voltas de fio trançado com seção transversal de pelo menos 2 mm2. O indutor L3 é feito em um núcleo magnético blindado B48 feito de ferrite 2000NM1 com folga de 0,6 mm na haste intermediária. Seu enrolamento contém 10 voltas, formado por um feixe de 25 fios PEV-1 0,44. A resistência ativa do enrolamento é de cerca de 4 MOhm. O valor médio da corrente que flui através do indutor L2 é 2 A, L3, L4 - 18 A. Os microcircuitos utilizados no dispositivo podem ser substituídos por similares da série K564. Capacitores C7 C10-C14 - K50-24... Em vez deles, você pode usar K50-27, K50-29, K50-31, K52-1. Capacitores C8, C4 - K50-6, os demais são da série KM. Resistores fixos - MLT, resistor de corte R18 - SP14-1. Ao testar o dispositivo, transistores VT2, VT4, diodos VD5, VD11. Os VD13 foram instalados em um dissipador de calor de placa comum de duralumínio com espessura de 5 mm e área superficial de 400 cm2. Durante a operação de longo prazo do estabilizador com corrente de carga de 15 A com dissipador de calor vertical, sua temperatura não excedeu 50 °C.
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