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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Potente stabilizzatore di tensione costante a impulsi. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Protettori di sovratensione Tra gli stabilizzatori di tensione a impulsi, una classe speciale è formata da dispositivi con il principio della larghezza di impulso (PW) per la regolazione della tensione di uscita. La loro caratteristica distintiva è la costanza del livello di ondulazione nell'intero intervallo di corrente di carico. È possibile sincronizzare lo stabilizzatore con i dispositivi digitali alimentati, il che in alcuni casi consente di semplificare il problema della loro compatibilità. Lo stabilizzatore è progettato per alimentare apparecchiature elettroniche realizzate su chip digitali. Ha un avvio graduale senza picchi di tensione in uscita, protezione della corrente di carico a due stadi con ritorno automatico alla modalità operativa dopo la rimozione del sovraccarico ed è in grado di rimanere a lungo nella modalità di chiusura del circuito di uscita. Il diagramma schematico dello stabilizzatore è mostrato in Fig. 1
Un generatore di clock di impulsi rettangolari è realizzato sugli elementi DD1.1, DD1.2. Un circuito costituito dal resistore R9 e dalla capacità di ingresso dell'elemento DD2.2 crea un certo ritardo degli impulsi. Pertanto, all'uscita dell'elemento DD2.2 c'è un segnale rettangolare, ritardato rispetto al segnale all'uscita dell'elemento DD1.1 di 0,4...0,5 μs. L'unità di controllo dell'ampiezza dell'impulso è costruita sugli elementi DD1.3, DD2.1, DD2.2 e trigger DD3.1. Gli impulsi di controllo per l'elemento chiave dello stabilizzatore sono generati dal trigger DD3.1. Al limite dell'impulso ritardato del generatore, il trigger passa allo stato singolo. Il circuito R2C2 genera impulsi di tensione triangolari con un'ampiezza di circa 2.1 mV all'ingresso superiore dell'elemento DD100. Il trigger passa allo stato 0 sull'ingresso R. All'avvio, la tensione di uscita al primo momento è zero e all'ingresso (pin 2) dell'elemento DD2.1 agiscono solo impulsi triangolari, la cui ampiezza è inferiore alla tensione di soglia dell'elemento (per i microcircuiti CMOS utilizzati in lo stabilizzatore è pari a 0,55...0,6 della loro tensione di alimentazione). Un singolo segnale è attivo all'ingresso inferiore dell'elemento DD1.3 e il trigger DD3.1 passa allo stato zero quando appare un segnale di basso livello all'uscita dell'elemento DD1.1. In questo caso, la durata di un singolo stato del trigger DD3.1 è massima e prossima al semiciclo delle oscillazioni del generatore, che corrisponde al tempo massimo dello stato aperto dell'elemento chiave. Quando la tensione di uscita raggiunge la zona di regolazione, la tensione all'ingresso superiore dell'elemento DD2.1 avrà il tempo di aumentare fino al valore di soglia prima che appaia il decadimento dell'impulso all'ingresso superiore dell'elemento DD1.3 e la durata di il singolo stato del trigger DD3.1 diminuisce al valore in stato stazionario. Da questo momento in poi, l'aumento della tensione di uscita si interrompe: il dispositivo entra in modalità di stabilizzazione. Se per qualche motivo (ad esempio, una forte diminuzione della corrente di carico) la tensione di uscita aumenta, il singolo impulso di uscita del trigger diventa ancora più breve e la tensione di uscita dello stabilizzatore si avvicina nuovamente al suo valore stabile. L'uscita dell'unità di controllo SHI è collegata all'ingresso di un amplificatore di impulsi utilizzando i transistor VT2, VT3, che è un generatore di corrente stabile controllato con un'uscita del trasformatore. La corrente attraverso l'avvolgimento secondario del trasformatore T3 è determinata dalla resistenza del resistore R11 ed è pari a circa 1,5 A. Il controllo del transistor chiave VT4 dal generatore di corrente consente di accelerarne i processi di commutazione e ottenere un basso valore di tensione di saturazione. Quando il trigger DD3.1 è in uno stato singolo, il generatore di corrente garantisce una corrente costante attraverso l'avvolgimento primario del trasformatore T3 durante l'impulso di uscita dell'unità di controllo. Nell'avvolgimento primario appare una componente linearmente crescente della corrente magnetizzante. L'induttanza dell'avvolgimento primario del trasformatore T3 è scelta in modo tale che il valore massimo della corrente magnetizzante non superi il 10...15% della corrente di collettore del transistor VT2. Pertanto, la corrente di base del transistor VT4, mentre è aperta, rimane praticamente invariata. Dopo la chiusura del transistor VT2, il trasformatore T3 viene disconnesso dalla fonte di alimentazione e la componente di corrente magnetizzante inizia a diminuire, scorrendo attraverso il circuito VD8VD9R15. Ciò porta ad un cambiamento nella polarità della tensione su entrambi gli avvolgimenti del trasformatore. L'applicazione di una tensione negativa alla giunzione dell'emettitore del transistor VT4 ne garantisce la chiusura forzata. caratteristiche tecniche
Quando il transistor VT4 è chiuso, la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita viene applicata all'induttore L3 e la corrente che lo attraversa aumenta. Dopo aver chiuso il transistor VT4, la corrente nell'induttore non può essere interrotta istantaneamente, quindi i diodi VD11, VD12 si aprono, formando un circuito per il flusso di corrente. Al valore di induttanza specificato, l'ampiezza. la componente alternata della corrente dell'induttore (e quindi dei condensatori di filtro C10-C13) è di 3 A con un valore di corrente medio fino a 15 A. Per ridurre l'ondulazione della tensione di uscita è necessario assemblare il filtro collegando più condensatori in parallelo. Per un migliore livellamento è installato un filtro aggiuntivo L4C14 che riduce l'ampiezza dell'ondulazione di 3...5 volte e impedisce la penetrazione di interferenze ad alta frequenza nel carico. Per ridurre le perdite dinamiche nel transistor VT4 durante la commutazione, nel dispositivo sono stati introdotti elementi aggiuntivi T2, VD5, C7, L2 e il circuito C9R16VD10. In ogni periodo di funzionamento del dispositivo, quando il transistor VT4 viene aperto, la sua tensione di saturazione raggiunge il suo valore di stato stazionario in diverse decine di nanosecondi. Il diodo VD10 è chiuso e non influisce sulla velocità di diminuzione di questa tensione. La corrente di collettore del transistor VT4 aumenta con una velocità determinata dall'induttanza dell'avvolgimento primario del trasformatore T2 e raggiunge il valore di 12...15 A in un tempo di circa 2 μs. Pertanto, l'aumento della corrente del collettore del transistor VT4 avviene a un basso valore della sua tensione di saturazione, che riduce drasticamente le perdite dinamiche nel transistor quando si apre. Dopo il tempo specificato, il circuito magnetico del trasformatore T2 è saturo, la tensione sui suoi avvolgimenti diminuisce fino a zero e fino alla fine del periodo non influisce sul funzionamento dello stabilizzatore. Quando il transistor VT4 è chiuso, la tensione sugli avvolgimenti del trasformatore T2 cambia segno, il diodo VD5 si apre e l'energia immagazzinata nel trasformatore viene convertita in una carica sul condensatore C7. Allo stesso tempo, la tensione tra il collettore e l'emettitore del transistor VT4 inizia ad aumentare, il diodo VD10 si apre, collegando il condensatore C9 in parallelo con questo transistor. Ora la velocità di aumento della tensione sul transistor è determinata dalla capacità del condensatore C9 (il tempo di aumento è di circa 1 μs). Alla successiva apertura del transistor VT4, questo condensatore viene scaricato attraverso il resistore R16. L'elemento principale del sistema di protezione è il sensore di corrente di carico, realizzato sul trasformatore di corrente T1. Con un singolo segnale proveniente dal generatore di clock, il trigger del dispositivo di protezione, montato sugli elementi DD2.3, DD2.4, viene azzerato (livello 0 all'uscita dell'elemento DD2.4). In questo momento, il transistor VT4 è chiuso. Quando si apre, una tensione crescente linearmente viene fornita all'ingresso superiore dell'elemento DD2.3. Quando la corrente di carico è inferiore al valore massimo, la tensione all'ingresso superiore dell'elemento DD2.3 non supera la soglia. In caso di sovraccarico, la corrente di collettore del transistor VT4 raggiunge un valore al quale la tensione all'ingresso superiore dell'elemento DD2.3 supera il suo valore di soglia e l'attivazione della protezione passa allo stato singolo (livello 1 all'uscita dell'elemento DD2.4). In questo caso, il trigger DD3.1 viene impostato su zero e il transistor VT4 si chiude. Lo stabilizzatore entra in modalità di limitazione della corrente di carico, la sua tensione di uscita diminuisce. Questa modalità non è pericolosa per lo stabilizzatore (la corrente del collettore del transistor VT4 è limitata), ma potrebbe essere inaccettabile per il carico. Per proteggere il carico, viene attivato il secondo stadio del sistema di protezione, costituito da un circuito integratore VD2R6R10C6 e un grilletto one-shot DD3.2. Lo stato iniziale del trigger DD3.2 è zero. Se il sovraccarico continua per più di 70...150 ms (a seconda della sua molteplicità), la tensione sul condensatore C6, aumentando, raggiunge il valore di soglia e il trigger DD3.2 passa allo stato singolo per un tempo di circa 2 s . Un singolo stato all'ingresso inferiore dell'elemento DD2.2 vieta la fornitura di impulsi di clock al trigger DD3.1 e lo stabilizzatore è spento. Durante questo periodo, il condensatore C6 viene scaricato tramite il resistore R10 e il condensatore C8 viene caricato tramite il resistore R13 al valore di soglia e il trigger DD3.2 viene impostato al suo stato originale. Lo stabilizzatore si avvia automaticamente. Se il sovraccarico non viene risolto, il processo viene ripetuto. La corrente di risposta del sistema di protezione può essere variata entro ampi limiti selezionando il resistore R7. All'aumentare della resistenza, la corrente diminuirà proporzionalmente. L'elevata stabilità della tensione di uscita è garantita alimentando l'unità di controllo SHI da uno stabilizzatore parametrico basato su un diodo zener VD4, alimentato da un generatore di corrente VT1 VD1. La Figura 2 mostra graficamente la dipendenza dell'efficienza dello stabilizzatore dalla corrente di carico a tre valori caratteristici della tensione di alimentazione. È facile vedere che l'efficienza ha un massimo nell'intervallo di corrente di carico di 3...8 A. Se lo stabilizzatore è destinato ad essere utilizzato con una corrente di carico nell'intervallo di 10...15 A, allora è consigliabile spostare il massimo della sua efficienza verso una corrente maggiore sostituendo la resistenza R11 con un'altra resistenza 2,2...2,4 Ohm.
La Figura 3 mostra le caratteristiche di carico dello stabilizzatore. Il grafico mostra che la stabilità della tensione di uscita è molto elevata (5 V ±2%) ed è sufficiente per alimentare dispositivi realizzati su microcircuiti digitali di qualsiasi serie.
I trasformatori T1-T3 e le induttanze L2, L4 sono realizzati su nuclei magnetici ad anello di dimensioni standard K20x12x6 in ferrite 2000NM1. Nel nucleo magnetico del trasformatore T2 e delle induttanze L2, L4 è necessario prevedere uno spazio non magnetico largo 0.4 mm. Per fare questo è meglio tagliare l'anello a metà con un disco diamantato o, in casi estremi, spaccarlo, e poi rimontarlo, posizionando in entrambi i tagli una guarnizione di spessore 0,2 mm costituita da più strati di carta sottile, riccamente impregnata. con resina epossidica. Dopo aver collegato le metà del circuito magnetico, queste vengono compresse saldamente e la resina viene lasciata indurire. La resina indurita in eccesso viene rimossa con una lima. L'acceleratore L4 è avvolto su due anelli simili, piegati insieme in modo che i loro spazi coincidano necessariamente. L'avvolgimento 1 del trasformatore T1 è un giro di filo a trefolo con una sezione trasversale di almeno 1 mm2. Poiché è molto importante garantire il massimo accoppiamento elettromagnetico tra gli avvolgimenti, questa spira non può essere avvolta lungo la distanza più breve tra il suo inizio e la sua fine. È posizionato su un circuito magnetico (avvolto in più strati di tessuto verniciato) in modo che l'inizio e la fine del giro si trovino uno accanto all'altro sul lato esterno del cilindro ad anello e il centro sia adiacente al punto più lontano da l'inizio e la fine sulla superficie interna del foro dell'anello. L'avvolgimento II contiene 200 spire di filo PEV-1 0,1. L'avvolgimento 1 del trasformatore T2 contiene 7 spire di filo a trefolo con una sezione trasversale di almeno 1 mm2, l'avvolgimento II - 7 spire di filo PEV-1 0,68. L'avvolgimento I del trasformatore T3 contiene 120 spire di filo PEV-1 0,25 e l'avvolgimento II contiene 10 spire di filo PEV-1 0,68. Acceleratore L1 - D-0,1. Puoi usarne un altro con una corrente consentita di almeno 30 mA. L'avvolgimento dell'induttore L2 contiene 35 spire di filo PEV-1 da 0,68 mm e l'induttore L4 contiene 5 spire di filo a trefolo con una sezione trasversale di almeno 2 mm2. L'induttore L3 è realizzato con un nucleo magnetico corazzato B48 realizzato in ferrite da 2000 NM1 con uno spazio di 0,6 mm nell'asta centrale. Il suo avvolgimento contiene 10 spire, costituite da un fascio di 25 fili PEV-1 0,44. La resistenza attiva dell'avvolgimento è di circa 4 MOhm. Il valore medio della corrente che scorre attraverso l'induttore L2 è 2 A, L3, L4 - 18 A. I microcircuiti utilizzati nel dispositivo possono essere sostituiti con altri simili della serie K564. Condensatori C7 C10-C14 - K50-24 Invece di loro, puoi usare K50-27, K50-29, K50-31, K52-1. Condensatori C8, C4 - K50-6, il resto è della serie KM. Resistori fissi - MLT, resistore di regolazione R18 - SP14-1. Durante il test del dispositivo, transistor VT2, VT4, diodi VD5, VD11. VD13 sono stati installati su un comune dissipatore a piastra in duralluminio con spessore di 5 mm e superficie di 400 cm2. Durante il funzionamento a lungo termine dello stabilizzatore con una corrente di carico di 15 A con un dissipatore di calore verticale, la sua temperatura non ha superato i 50 °C.
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