6.4.3.6. Принципиальная схема ИМС К142ЕП1

 

Интегральные непрерывные КСПН можно эффективно использовать для построения КСПН импульсного действия как с релейным управлением, так и в режиме управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Однако при этом схемотехническая реализация требует большого количества дополнительных элементов, что снижает удельные показатели систем электрического питания. Поэтому стоит задача разработки специализированных интегральных микросхем для КСПН импульсного действия. Одной из таких микросхем является ИМС К142ЕП1, принципиальная схема которой представлена на рисунке 6.35.

 

                              Рис. 6.35. Принципиальная схема ИМС К142ЕП1

 

На рисунке 6.35 можно выделить следующие функциональные узлы:

-        усилитель сигнала ошибки (УСО), реализованный на элементах VT9÷VT12, R11;

-        преобразователь сигнала ошибки в последовательность управляющих импульсов – на элементах VT7, VT8, R10, VD3÷VD6, R9;

-        усилитель управляющих импульсов (УУИ) – на элементах VT4÷VT6, R4÷R8;

-        маломощный регулирующий элемент – на элементах VT2, VT3;

-        источник опорного напряжения (ИОП) – на элементах VT1, VD1, VD2, R1÷R3.

 

Данная ИМС может работать в двух режимах: с релейным управлением, с широтно-импульсной модуляцией (при подаче управляющих импульсов с внешнего генератора). Представленный состав функциональных узлов соответствует работе ИМС в режиме с широтно-импульсной модуляцией. В режиме релейного (двухпозиционного) управления в схеме рис. 6.35 имеется триггер Шмитта (элементы VT5, VT6, R6÷R8), который осуществляет переключение и формирование импульсов управления работой регулирующего элемента (элементы VT2, VT3). Функциональный узел УСО рис. 6.35 включает дифференциальную схему сравнения (элементы VT10, VT12, R11) и однокаскадный усилитель постоянного тока (элементы VT9, VT10). ИОП рис. 6.35 содержит однокаскадный параметрический стабилизатор постоянного напряжения (элементы R1, VD1), выходной эмиттерный повторитель (элементы VT1, R2, R3, VD2 – термокомпенсирующий диод).

ИМС К142ЕП1 располагается в плоском 16-ти выводном металло-керамическом корпусе (возможно конструктивное исполнение в пластмассовом корпусе). Назначение выводов приведено в таблице 6.3.1. Технические параметры ИМС К142ЕП1 приведены в  таблице 6.3.1.

 

Таблица 6.3.1 Назначение выводов ИМС К142ЕП1

Таблица 6.3.2 Технические параметры ИМС К142ЕП1

 

 

 

6.4.3.7. КСПН импульсного действия на основе ИМС К142ЕП1

 

 

Принципиальная схема КСПН с внешним регулирующим элементом и силовой частью пониженного типа представлена на рисунке 6.36.

В данной схеме (рис. 6.36) внешний регулирующий элемент (элементы VT2, VT3) создан на основе комплементарной пары (первый транзистор VT2 – p-n-p структуры, второй транзистор VT3 – n-p-n структуры), что позволяет уменьшить Uкэ нас на величину напряжения эмиттер-база, а также улучшаются тепловые характеристики регулирующего элемента за счёт частичной термокомпенсации, уменьшается эквивалентное эмиттерное и базовое сопротивления.

Работа ключевого КСПН и ШИМ рис. 6.36 поясняется с помощью временных диаграмм, изображённых на рис. 6.37.

 

                       Рис. 6.36. Схема КСПН импульсного действия на основе ИМС К142ЕП1

 

         Напряжение Uвх мод (рис. 6.37а), поступающее с внешнего генератора через небольшую ёмкость C5=(100÷1000)пФ, вначале преобразуется из прямоугольной формы в пилообразную форму за счёт цепочки C5 и входного сопротивления схемы модулятора ШИМ ИМС, затем с помощью мостовой схемы выпрямления ИМС (VD3÷VD6 рис. 6.35) преобразуется в однополярное напряжение пилообразной формы на резисторе R10 (U_R10) рис. 6.35. Напряжение U_R10 (рис. 6.37б) должно быть достаточным для перевода

 

     Рис. 6.37. Временные диаграммы, поясняющие работу КСПН импульсного                 

                      действия

транзистора VT8 (рис. 6.35) в состояние насыщения. При этом напряжение на выходе преобразователя сигнала ошибки в последовательность управляющих импульсов ИМС К142ЕП1 (рис. 6.35, элементы VT7, VT8, R9, R10, VD3÷VD6) U_Б6=U_R9 (рис. 6.37в) имеет максимальное значение. Достижение момента времени, в которое транзистор VT8 ИМС выходит из режима насыщения, по отношению к переднему фронту пилообразного напряжения U_R10 рис. 3б, зависит от того, насколько открыты транзисторы VT7, VT8 ИМС рис. 6.35.

Если потенциал U1 на выходе УПТ дифференциальной схемы сравнения ИМС рис. 6.35 (коллектор транзистора VT10) мал, то среднее напряжение база-эмиттер транзисторов VT7, VT8 сравняется с линейно-уменьшающимся напряжением на выходе схемы выпрямления (диодный мост VD3÷VD6) только в конце такта модулирующего напряжения U_{вх мод} (рис. 6.37а), как показано на временных диаграммах U_R10, U_R9 рис. 6.37б, в.

При возрастании потенциала на коллекторе VT10 ИМС до уровня U2 (рис. 6.37б) транзисторы VT7, VT8 закрываются раньше и формируется последовательность импульсов U_R9 рис. 6.37в с большей паузой τ_и2. В этом случае транзисторы VT4÷VT6 ИМС выполняют роль усилителей управляющих импульсов, снимаемых с резистора R9 (U_R9). Усиленные управляющие импульсы с коллектора VT4 (рис. 6.35) через внешний делитель напряжения на резисторах R3, R6 и конденсатор C2 поступают на базу транзистора VT3 ИМС, являющегося одним из транзисторов маломощного составного регулирующего элемента ИМС (рис. 6.35).

Транзисторы VT2, VT3 ИМС в данной схеме включения КСПН импульсного действия (рис. 6.36) усиливают управляющие импульсы с выхода импульсного элемента ИМС и управляют внешним силовым регулирующим элементом, выполненным на основе комплементарной пары транзисторов VT2, VT3 рис. 6.36 (внешних по отношению к ИМС).

При работе ключевого КСПН на основе ИМС К142ЕП1 рис. 6.36 в релейном режиме связь между дифференциальной схемой сравнения, усилителем постоянного тока ИМС (рис. 6.35) на транзисторах VT9÷VT12, R1 и триггером Шмитта на транзисторах VT5, VT6 осуществляется через транзистор VT7, включённым по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Выбор элементов схемы ключевого КСПН на основе ИМС К142ЕП1 рис. 6.36 должен быть подчинён условию получения максимально возможного коэффициента полезного действия – η, который зависит от величины потери в стабилизаторе:

 

где Pвых – выходная мощность стабилизатора, отдаваемая потребителю; Pпот – мощность потерь в стабилизаторе, определяемая

 

 

где P_ИМС – мощность потерь в ИМС, она обычно мала и может не учитываться в общей величине мощности потерь; P_C1 – мощность потерь в конденсаторе Г-образного LC-фильтра силовой части стабилизатора (пренебрежимо мала); P_L1 – мощность потерь в дросселе сглаживающего фильтра (её стараются минимизировать при выборе дросселя); P_VD1 – мощность потерь в коммутирующем диоде VD1 (на практике достаточно мала); P_VT3 – мощность потерь в силовом транзисторе VT3 регулирующего элемента КСПН.

Остальные элементы схемы рис. 6.36 имеют значения: R7, R8 выбираются из условия обеспечения выходного тока делителя I_дел≥1,5мА; R3=10кОм, R6=3кОм, C2=C5=(100÷1000)пФ, R5=300Ом, C3=C4=(1÷5)мкФ, U_RL1=(0,05÷0,2)В.

Время включения и выключения (t_вкл, t_выкл) транзисторного ключа VT2, VT3 рис. 6.36 находятся из следующих соотношений:

 

Экспериментально исследована зависимость коэффициента полезного действия от величины выходного напряжения: η=f(U_вых) (рис. 6.38).

 

 

 

 

 

 

  Рис. 6.39. Зависимость  η ключевого КСПН от значения напряжения на выходе

 

 

 

 

 

 

 

6.4.3.8 Разновидности ИМС управления КСПН импульсного действия

 

 

Интегральные микросхемы для управления импульсными стабилизаторами постоянного напряжения часто называют конверторами постоянный ток – постоянный ток (DC-DC конверторы), так как они используются преобразования уровня или полярности постоянного входного напряжения.

В качестве примера можно привести таблицу 6.3.3 сравнительных характеристик ИМС управления КСПН импульсного действия.

Структурная схема ИМС 1156ЕУ1 представляется в виде рис. 6.39.

 

Таблица 6.3.3 Сравнительные характеристики ИМС управления КСПН импульсного действия

 

                     Рис. 6.39. Структурная схема ИМС 1156ЕУ1

 

В состав структурной схемы рис. 6.39 входят:

-        источник опорного напряжения (ИОН), на выходе которого формируется опорное напряжение Uоп=+1,25В (вывод 8 ИМС);

-        операционный усилитель (ОУ), чувствительность которого составляет U_{см оу}=4мВ, скорость нарастания выходного напряжения Vнар=0,6В/мкс;

-       элементы для реализации широтно-импульсной модуляции (ШИМ): задающий генератор (ЗГ), компаратор (К), логический элемент U, RS-триггер, ключевой транзистор с драйвером (предварительным усилителем), силовой диод с параметрами: I_пр=1А, U_обр=40В.

Частота внутреннего генератора ИМС зависит от величины ёмкости Cг, подключаемой к выводу 12: f_пер=100Гц÷100кГц.

 

Зависимость времени включения и выключения ИМС 1156ЕУ1 от ёмкости C_г приведена на рис. 6.40.

 

 

     Рис. 6.40. Зависимость времени включения и выключения от ёмкости генератора

Схема включения КСПН импульсного действия с понижающей силовой частью на основе ИМС 1156ЕУ1 приведена на рис. 6.41.

 

 

 

 

  Рис. 6.41. Схема включения КСПН импульсного действия на основе ИМС  

                    1156ЕУ1

Схема рис. 6.41 имеет следующие параметры и значения элементов: U_вх=25В; U_вых=5В; I_вых=0,5А; C1=100,0мкФ; C2=470,0мкФ; R1=1,2кОм; R2=3,6кОм; L1=220мкГн.