вых^вых + КЭ нас^вых + Д^вых

fBblX

(10.20)

В зависимости от факторов, которые принимаются во внимание, существуют и другие выражения для к. п. д. Если с/кэ нас = = 1 В и с/д = 1 В, то для понижающего импульсного источника питания при с/вых = 10 В и с/вх = 20 В получаем

к. п. д. =10 В/(10 В+ 2 В) = 83.3%.

При этих условиях линейный источник питания с проходным транзистором будет иметь к. п. д. только 50 %.

Импульсный источник питания с повышением напряжения. На рис. 10.15 показана схема импульсного источника питания с повышением напряжения. Его выходное напряжение

ивих = ивхШс + Шо]. (10.21)

Когда транзистор Ti включается, ток через L увеличивается до пикового значения In = {UL/L)tc. Диод Д] отключен, так как

t/вых > с/кэ г, нас, и

/н = (Ul/L) и = [(с/вх - t/кэ ac)/L] tc. (10.22)

Когда транзистор Т\ выключается, исчезающее магнитное поле меняет на обратную полярность напряжения на катушке индуктивности L, смещая диод Д в прямом направлении. Напряжение на L добавляется к с/вх. При этом с/вых = с/вх + Ul - с/д. Ток II теперь будет спадать со скоростью (с/вых + t/д - с/вх)/с-== = Ul/L до тех пор, пока Ту опять не включится. Так как выходной ток понижается в таком же отношении, в каком выходное напряжение повышается, то /вых.макс =/n/2[V(o + tc)]. Разрешая это уравнение относительно /п, получаем / = = 2/вых. макс [ (0 + tc)/to]. Значение коэффициента самоиндукции Катушки может быть найдено, если учесть, что индуктивность /должна обеспечить выходной ток в течение времени и что

К. П. д. может быть найден следующим образом:

и вых ~ вх ifcl) Рвых ~ вых^вых ~ вх (с/т) /вых

+ Якл + Рд, Рвх = С/вх (tc/r) /вых + /пС/кэ ас (Ф) +

+ С/д(/о/т)/ ;

/п (У-е) = (вх)ср = (/оых)ср = In (Ф),

Рвк = С/вых/вых + кэ нас/вых + С/д/вых,

где Ркл - мощность рассеиваемая на ключевом транзисторе. Таким образом,

Pip . t/вых/вых

вых/вх / / /

310 Глава 10

L = [{Usux + U-UBx)IIn]to. (10.23)

Конденсатор должен поставлять ток в нагрузку в течение tc. Поэтому из С = It/U получаем С = huxtc/U улье- Отношение tc к to находится приравниванием значений среднего тока через индуктивность в эти промежутки времени. Как и в случае пони-жаюшего источника питания, все члены сокращаются, кроме напряжения на индуктивности при включенном и выключенном состояниях Ти Поэтому имеем

tc/to = (С/вых + - С/вх)/(С/ох - С/кЭ нас). (10.24)

к. п. д. повышающего стабилизатора может быть больше 90 %. Его можно найти из выражения (см. приложение Е)

к. п. д == С/вх/[С/вх + С/кэ нас + С/д/о/(с + to)].

Импульсный источник питания, инвертирующий напряжение. На рис. 10.15, е показан инвертор напряжения. Его выходное напряжение имеет полярность, обратную по отношению ко входному. Когда Tl включен, ток через катушку индуктивности нарастает со скоростью Ul/L, а диод Д получает смещение в обратном направлении, так как его анод имеет отрицательный потенциал. Когда Ti отключается, исчезающее магнитное поле катушки индуктивности меняет на обратную полярность напряжения на ней. При этом диод Д получает смещение в прямом направлении, так как его катод теперь стал отрицательным по отношению к аноду. Ток, отдаваемый теперь катушкой индуктивности, будет уменьшаться со скоростью Ul/L до тех пор, пока Tl снова не включится.

Пиковое значение, которое достигает ток, протекающий через катушку индуктивности за время, когда Г, включен, будет равно

/п = [(С/ -С/кэг. ас)/С]/.. (10.25)

Среднее значение входного тока есть

/вх.ср = (/п/2)РЖ f/о)]. (10.26)

Среднее значение выходного тока есть

/Bb.x.cp = (/ry2)[y(/,-f д]. (10.2?)

/ = 2/з„Л(с + а4]. (10.28)

Если потерями в диоде и транзисторе пренебречь, то

С/вых =-С/вх(Ш- (10-29)

Как и в случаях повышающего и понижающего напряжение преобразователей, катушка индуктивности L должна поставлять

ТОК В течение времени /о. Поэтому из Ul = L {Ы/М) следует

L=[{\UBA + UA)IJu]k. (10.30)

Обратите внимание на то, что всегда L = (С/£г, выкл п)о. Емкость выходного конденсатора может быть вычислена, если, как и ранее, полагать, что он должен поставлять ток нагрузки тогда, когда Т\ включается. С - It/U - 1вык^с/Ипульс- Из со-отношеиий (10.25) и (10.30) получаем

tc/to = (I t/вых I + С/д)/(С/вх - t/кэ г, нас).- (10.31)

Коэффициент полезного действия. Как и прежде,

Рвых = t/вых/вых и Рвх = t/вых/вых + tд/выx + tKЭ нас/вх. ср> НО

/вх. ср = /вых (4/т), Рвх = UbmxIbux + ид1вых + tIO вас (с/т) /вых.

Таким образом,

JJ д /вых /вых/вых

~ -Рвх BUxW + + КЭ нас/вых (Ут)

Окончательно

к. п. д.= -(10.32)

вых + + КЭ нас {*сП)

К. п. Д. может быть больше 90 %.

Импульсные источники питания не могут работать без на-грузки или при f/вых = t/вх, ибо В ЭТИХ случаях ток не будет f протекать через катушку индуктивности.

10.3.3. УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПОДСИСТЕМА

1ЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ {iA78S40 ФИРМЫ Fairchild

Универсальная подсистема для импульсных стабилизаторов напряжения pA78S40 фирмы Fairchild представляет собой многоцелевой импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией, способный стабилизировать напряжение при изменении входного напряжения и нагрузки с точностью 80 дБ (погрешность 0,01 7о). Он имеет диапазон входного напряжения от 2,5 до 40 В и может управлять выходными напряжениями, ограниченными по величине только параметрами использованных внешних компонентов. В качестве понижающего или повышающего стабилизатора без внешних ключевых транзисторов эта схема может выдавать выходное напряжение от 1 до 40 В. Максимальный ток внутреннего потребления схемы pA78S40 составляет 2,5 мА при f/вх = 5 В и 3,5 мА при f/вх = 40 В; типичные значения 1,8 и 2,3 мА соответственно. Стабилизатор из-кГотовляется в корпусе DIP с 16 выводами; схема в пластмассо-

BOM варианте корпуса может рассеять до 1,5 Вт и 1 Вт в герметически закрытом варианте. Прибор поставляется в коммерческой модификации с диапазоном допустимых рабочих температур от О до 70 °С и в военной с диапазоном рабочих температур от -55 до 125 °С. Без внешних транзисторов pA78S40 может отдавать ток до 1,5 А.

На рис. 10.16 показана блок-схема pA78S40. Она состоит из генератора, двух транзисторов для выходных ключей (7] и драйвера к нему Гг), логического вентиля И и /?5-триггера для управления выходными транзисторами, источника опорногф напряжения, диода и двух ОУ.

Частота генератора может быть установлена в пределах между 100 Гц и 100 кГц. С помощью внешнего конденсатора Ст устанавливается продолжительность отключенного состояния {to) выходных транзисторов. Время включенного состояния регулируется внутри схемы в пределах восьмикратного времени отключенного состояния), генератор имеет температурно-ком-пенсированный датчик тока (токовый чувствительный элемент) с порогом 0,33 В (t/д.т = 0,33 В), который отключает выходной транзистор всякий раз, когда ток достигает пикового значения. Ток /п используется для изменения относительной продолжительности включенного состояния выходного транзистора стабилизатора и, таким образом, времени tc. Нижний предел для tc или 0 составляет 10 мкс.

Выходные транзисторы могут выдерживать напряжение 40 В и пропускать ток до 1,5 А. Транзистор Т2 является усилителем для Т\. Транзисторы 7i и Т2 могут быть соединены просто по схеме Дарлингтона, или транзистор Гг может быть использован с внешним резистором для получения повышенного возбуждения базы Tl. Последнее необходимо в источнике питания с повышением выходного напряжения. Типичное значение f/кэ нас транзистора Tl составляет 1,1 В и при /к == 1 А достигает максимального значения 1,3 В. Значение /г21э транзистора Ti равно 70 при /к = 1 А и t/K3 = 5 В, но при расчетах для Uy& = 1 В при /к= 1 А будет принято значение feiar, = 20.

Выход вентиля И присоединяется к входу триггера для выключения Tl при V вых

Диод выдерживает напряжение 40 В, и на нем падает 1,5 В при пропускании тока в 1 А в прямом направлении. Типичное значение С^д==1,25В при 1 А.

Опорное напряжение имеет температурную компенсацию и равно 1,31 В (максимум), 1,24 В (типичное значение) и 1,18 В (минимум). Усилитель ошибки с высоким коэффициентом усиления используется в качестве компаратора при стабилизации.

> Имеется в виду, что время включенного состояния не может превосходить восьмикратного времени отключенного состояния. - Прим. ред.

Рис. 10.16. ИС фирмы Fairchild [XA78S40 -подсистема импульсного стабилизатора (с разрешения фирмы Fair-В> child Camera and Instruments Corporation).

Щ a- блок-схема. Наименования выводов: / - катод диода, 2 - W анод диода, 3 - эмиттер ключа. 4 - выход ОУ, 5 - питание Щ ОУ, 6 - неинвертирующий выход ОУ, 7 - инвертирующий вход I ОУ, 8 - опорное напряжение, 5 - неинвертирующий вход ком-I паратора, 10 - инвертирующий вход компаратора, 11 - земля, у /2 - конденсатор, задающий время, /3 - смещение tKK

датчик /jj, 15 - коллектор драйвера, 16 - коллектор ключа; б - расположение выводов на корпусе типа DIP с 16 выводами (вид сверху). Общее описание: цА78540 представляет собой ИС подсистемы стабилизатора, содержащую все стандартные (готовые) активные блоки, необходимые для построения импульсных систем стабилизации. Устр йство состоит из источника опорного напряжения с температурной ком енсацией, генератора с регулируемой относительной продолжительностью импульса и активной схемой ограничения тока, усилителя ошибки, выходного высоковольтного и сильноточного ключа,

мощного диода и одного неприсоединениого ОУ. О

Устройство может управлять внешними п-р-п- или р- -р-траизнсторами в случае, когда требуются токи, превышающие 1,5 А, или напряжения, превышающие 40 В. Устройство может быть использовано для построения повышающих, понижающих и инвертирующих знак напряжения импульсных стабилизаторов, а также линейных стабилизаторов последовательного действия. Особенности этой ИС: широкий диапазон изменения питающего напряжения, малая собственная потребляемая мощность, высо- :ий к. п. д. и низкий дрейф. Она полезна для построения любой автономной импульс-[ой системы с малым количеством деталей и исключительно хороша для систем, па-ающнх от батарей. Выходное напряжение - от 1,3 до 40 В, выходные токи без 1ешних транзисторов - до 1,5 А, работа с входным напряжением - от 2,5 до 40 В, [нзкое значение тока, потребляемого самой схемой, стабилизация по напряжению и току 80 дБ, высокий коэффициент усиления, большой ток, независимый ОУ.

Дополнительный ОУ применяется в схеме инвертора напряжения или в качестве вспомогательного проходного стабилиза-ра последовательного действия. Дополнительный усилитель ложет отдать ток до 100 мА при положительном выходе ) и

мА, когда его выход соединен с источником -\-LI через ре-

> С заземленной нагрузкой. - Прим. ред.

S14 Глава 10

зистор. Приведенное в приложении В каталожное описание содержит уравнения, необходимые для проектирования, и типичные применения.

Работа схемы. Рассмотрим работу pA78S40 в схеме понижающего источника питания, показанной на рис. 10.17, а. Ст выбран с учетом заданного времени /о, а /?д. т взято таким, чтобы f/fi = 0,33 В при заданном значении пикового тока / катушки индуктивности. В любой момент времени, когда t/вых > > f/on, с выхода компаратора поступает на вход вентиля И->> сигнал низкого уровня, вызывающий отключение 7i. После того как Ст разрядится, генератор включает опять до тех пор, пока не будет достигнуто пиковое значение тока / или t/вых > t/on. Стабилизация происходит следующим образом: если t/вых понижается, то средний ток через катушку индуктивности увеличивается. При этом возрастает tc, так как больше времени уходит на нарастание тока в катушке индуктивности до значения 1 . Это вызывает подъем выходного напряжения к его исходной величине. Если t/вых увеличивается, то магнитное поле катушки индуктивности за время уменьшается меньше, и, следовательно, при включении Ту ток быстрее достигает значения /п. Это снижает время tc, а с ним и выходное напряжение. Иначе говоря, когда f/вых > f/on, компаратор выключает Ti, снижая тем самым tc и, следовательно, f/вых. Если ta и tc меньше чем 10 мкс, то коммутационные потери становятся слишком большими.

Применения р,А78840. Покажем на расчетных примерах применения pA78S40. Расчеты для любых схем с использованием ИС импульсных стабилизаторов аналогичны тем, которые приводятся в этих примерах.

Пример 10.12. Стабилизатор, понижающий напряжение. Используя импульсный стабилизатор [xA78S40, построить понижающий импульсный источник питания на 5 В, 400 мА; t/ex = 15 В. Пульсации выходного напряжения должны быть более 25 мВ от пика до пика; fren = 30 кГц. Схема представлена на рис. 10.17, а.

Решение. Используем типичные значения величин из каталожного описания: f/кэ ас = 1.1 В, /д = 1,25 В = 1,245 В. Так как /. . = / /2, имеем /п = 2/вых. макс = 800 мА = 0,8 А. Теперь найдем U и to:

tc + to= l/freu = 1/30 кГц = 33,33 мкс.

Рис. 10.17. Применения импульсного источника питания цА78840. Наименование выводов [XA78S40 -см. подпись к рис. 10.16. а - понижающий стабилизатор напряжения; б - повышающий стабилизатор напряжения; в-инвертирующий знак стабилизатор напряжения; г - сдвоениый следящий стабилизатор напряжения (инвертирующий знак стабилизатор напряжения и инвертирую*

щий ОУ).

6 В при

261 НКФ 4г

/?д.т 0.28! Ом

0,005В мкФ

1,3 В

Генератор

i 125 мкГн

s fl

62 Ом

137 кОм

112 мкФ.

-° Увых о 15 В лри Х'60 мл

Рдт 0,3 Ом

к

9,36 кОм

ос === 10 кОм

Из уравнения (10.19) получим

5 В + 1,25 В

tBbix ~ [<э нас

и.

15 в - 1,1 в-5 в

= 0,702,

= 0,702/(1,

Подставляя это значение в уравнение /с + о = 33,33 мкс: 0,702<о + = = 33,33 мкс, определим <о = 33 мкс/1,702 = 19,58 мкс* <с = т -<о = = 33,33 мкс - 19,58 мкс = 13,75 мкс.

Замечание. Если бы ток нагрузки изменялся в широких пределах, то необходимо было бы выбрать т большей длительности. Если ток нагрузки относительно постоянен (Д/вых < 40 %), то <<: мин = Ю мкс будет приемлемо, и можно продолжить расчет. Вычислим L по уравнению (10.17):

Г f/ +Un\ / 5 в -Ь 1,25 в \ L = у--h = (--J мкс = 153 мкГн.

Из уравнения (10.18) найдем Свых

/вых (tc Ч- <о) 0,8 А (33,33 мкс) --4 ульс--4X25MB -2

Ru. т находится из выражения

Rn. т = t/д. т п = 0,33 в/0.8 А = 0,413 Ом.

Из каталожного описания получим Сл=45 X 10~выкл (мкс) =45-10-(19,58Х X 10~) =. 0,088 мкФ. Должен быть применен конденсатор с малым допуском.

Наконец, если /дел = 0,1 мА, то

/?. = (f/вых - 1оп) дел = (5 в - 1,245 В)/0,1 мА = 37.55 кОм. /?г = t/on дел = 1.245 В/0.1 мА= 12.45 кОм.

расе- .

0.4 А (1.1 В) 13,74 мкс

+ f/Bx/x.x =

0,4 А (1,25 В) 29,58 мкс

I 33,33 мкс 33,33 мкс

+ 15 В (2,5 мА) = 0,18 Вт + 0,29 Вт + 37,5 мВт = 0.513 Вт.

Пример 10.13. Стабилизатор, повышающий напряжение. Схема повышающего преобразователя напряжения на базе [xA78S40 приведена на рис. 10.17,6: /вых = 15 В. /вь,х = 150 мА, t/вх = 5 В, ген == 20 кГц (т = 50 мкс) и пульс = 50 мВ от пика до пика. Используем типичные значения величин параметров, указанное в каталожном описании. Решение. Из уравнения (10.14) имеем

f/Bb,x+t/

вх ~ КЭ нас

15 В 4-1,25 В-5 В 5 В - 1.1 В

= 2,8

= 2,88<о.

Поэтому to + 2,880 = 50 мкс, to = 50/3,88 = 12,88 мкс; = т - <о = = 50 мкс - 12,88 мкс = 37,12 мкс.

318 Гтва 10

Для повышающего преобразователя напряжения

/п = 2/вых. макс + ta)lta\ = 2 (0,15 А) 50 мкс/12,88 мкс = 1,16 А. Таким образом,

Ra. т = Up,. т п = 0,33 В/1,16 А = 0,284 Ом. Из уравнения (10.23) получим

/вых +и„- и^ 15 В + 1,25В - 5 В L =--51=- -(12,88 мкс) = 125 мкГн.

Так как Rs, должно пропускать базовый ток транзистора Ти то t/Bx-t/B3r. + t/K3n 5 В-1,4В

-4h. - 1.16 А/20 -2 0м.

выражения С = ItjU получаем

Сз = вых<с 0,15 А (37,12 мкс) , мкФ.

пульс 50 М в

Из каталожного описания находим

Су = 45 Ю- = 45 10- (12,88 мкс) = 0,0058 мкФ. -

Наконец, при /дел = 0,1 мА получаем

/?1 = (f вых - оп) дел = (15 В - 1,245 В)/0,1 мА = 137 кОм,

/?2= 1,245 В/0,1 мА= 12,45 кОм. Проверим величину рассеиваемой мощности:

расс = срКЭ нас + вых^Д + вxx. х = = (п/2) f/кэ ас {icM + (п/2) f/д (УТ) + з^/ р =

0,58 А (1,1 В) 37,12 мкс , 0,58 А (1,25 В) 12,88 мкс

50 мкс 50 мкс

+ (5 В) 2,5 мА = 0,473 Вт + 0,187 Вт + 12,5 мВт = 0,68 Вт.

Пример 10.14. Стабилизатор, инвертирующий напряжение. Используя [xA78S40, как показано на рис. 10.17, в, постройте инвертирующий источник питания. Положите Ubx = 2 в, t/вых == -18 В, /вых = 200 мА, /ген =10 кГц (т = = 100 мкс) и t/пульс = 30 мВ от пика до пика. Используйте типичные значения параметров, приведенные в каталожном описании.

Решение. Для того чтобы выводы [xA78S40 не становились отрицательными ), необходимо использовать вспомогательный р - п - р-транзистор и диод. Вспомогательный ОУ используем для того, чтобы обеспечить сравнение -t/вых с -ft/on. Резистор /? = /?, II Ро. с предотвращает появление напряжения сдвига, вызываемого током смещения. Транзистор и диод будут выбраны после нахождения значения /п. Предположим к;э„зр=1 В и t/д=l В. Из уравнения (10.31) имеем

вых|+{/д 18B-flB .

о ~ tBX - tK3 ас ~ 12В-1В - -

) Все выводы полупроводниковой ИМС должны быть положительны по отношени-ю к подложке, соединенной в данном случае с землей схемы, иначе откроются изолирующие р - п-переходы. - Прим. ред.