Стабилизатор напряжения на микросхеме КР142ЕН19 с защитой

В статье описан стабилизатор напряжения с надежной импульсной защитой. Если выходной ток стабилизатора некоторое время превышает порог срабатывания защиты, стабилизатор выключается на несколько секунд для охлаждения регулирующего транзистора, потом включается и отключается снова, пока не будет устранена авария в нагрузке. Поскольку регулирующий транзистор в таком режиме большую часть времени закрыт, рассеиваемая им средняя мощность даже при коротком замыкании выхода не больше, чем в штатном режиме. В предлагаемом стабилизаторе применен узел импульсной защиты на герконовом реле, включенном в сильноточную цепь. Такой узел содержит мало дополнительных деталей, почти не уменьшает КПД стабилизатора, а главное, ток срабатывания герконовой защиты очень слабо зависит от температуры. Коэффициент стабилизации устройства превышает 400. Минимальное падение напряжения между входом и выходом - 0,5 В. Схема стабилизатора показана на рисунке.

Основной элемент стабилизатора - микросхема КР142ЕН19 (DA1). Если напряжение на управляющем входе (вывод 1) микросхемы относительно катода (вывод 2) превысит порог ее открывания (2,5 В), ток анода возрастает с крутизной примерно 2 мА/мВ. Напряжение на аноде открытой микросхемы, определяемое ее внутренним устройством, - не менее 2,5 В. Эта микросхема имеет особенность: если напряжение на входе окажется больше, чем надо для ее полного открывания, она может выключиться. При этом она перестает управлять стабилизатором, в результате чего на его выходе может появиться входное напряжение. Перегрузка входа микросхемы может произойти из-за броска выходного напряжения, который возникает при отключении нагрузки от работающего стабилизатора. При этом ток, поступавший в нагрузку до ее отключения, начинает заряжать конденсатор, установленный на выходе стабилизатора. Это приводит к увеличению выходного напряжения, пока прошедшим через стабилизатор сигналом ошибки не будет закрыт регулирующий транзистор. Очевидно, выброс напряжения будет тем меньше, чем больше емкость конденсатора на выходе устройства и чем быстрее проходит через стабилизатор сигнал ошибки. Эксперименты с отключением нагрузки показали, что емкости не менее 1000 мкФ на каждый ампер выходного тока вполне достаточно, чтобы отключения микросхемы в описываемом стабилизаторе возникнуть не могло.

При повторении устройства следует воздерживаться от изменений, приводящих к уменьшению быстродействия, например, от применения низкочастотных транзисторов. Особенно опасно искусственно уменьшать быстродействие добавлением интегрирующих RC-звеньев в тракт прохождения сигнала ошибки с целью борьбы с генерацией. Поскольку часть выходного напряжения подана с движка резистора регулировки выходного напряжения R12 на вход управления микросхемы, увеличение напряжения между выходными выводами стабилизатора приводит к увеличению напряжения между входом управления микросхемы и ее катодом, что приводит к открыванию микросхемы. Ее выходной сигнал закрывает транзистор VT3, включенный по схеме с общим затвором, а затем и составной регулирующий транзистор VT2VT1, включенный в минусовый провод стабилизатора, что приводит к уменьшению тока через него. Если закрыта микросхема, транзистор VT3 должен быть открыт, ток его канала должен быть в пределах 4...10 мА. Такой режим получается, если на затвор подано напряжение около 5 В относительно общего плюсового провода. Оказалось, что подача на затвор части входного напряжения с пульсациями приводит к появлению пульсаций на выходе стабилизатора с амплитудой около 1 мВ. Поэтому напряжение на затворе транзистора VT3 стабилизировано относительно общего провода стабилитроном VD1, а затем еще и отфильтровано цепями R2C3, R5C4. Применение полевого транзистора позволило существенно уменьшить ток через фильтры, а, следовательно, и их габариты. Резистор R7 предотвращает самовозбуждение. Без него ступень на транзисторе VT3 может самовозбудиться на частоте около 20 МГц.

Описываемый стабилизатор имеет три степени защиты от аварий как в нагрузке, так и в самом стабилизаторе. Быстрая защита от кратковременных перегрузок обеспечена резистором R8. При существенном, примерно в два раза, превышении током нагрузки заданного максимума в 2 А падение напряжения на резисторе R8 увеличивается до уровня входного напряжения, транзистор VT2 вследствие этого насыщается и перестает усиливать ток, что приводит к ограничению тока нагрузки. От более продолжительных аварий стабилизатор защищен импульсной защитой на герконовом реле К1. Если ток нагрузки превышает ток срабатывания реле (2 А), геркон замыкается, и конденсатор СЗ быстро разряжается через резистор R1. При этом начинается также разрядка конденсатора С4 через резистор R5. Но этот процесс протекает значительно медленнее из-за сравнительно большого сопротивления резистора R5. Когда падение напряжения на конденсаторе С4 уменьшится примерно до 1 В, транзистор VT3 закроется, выключая тем самым стабилизатор. Задержка отключения стабилизатора цепью R5C4 введена для того, чтобы конденсатор СЗ успел до момента размыкания геркона К1.1 разрядиться практически полностью. После размыкания геркона начинается медленная зарядка конденсатора СЗ через резистор R2. Это приводит к постепенному открыванию транзистора VT3 и запуску стабилизатора. Аналогично происходит и запуск стабилизатора при включении питания. Если от этого стабилизатора питать УМЗЧ, при его включении не будет щелчка в акустических системах.

Описываемый стабилизатор, как и любое устройство с глубокой обратной связью, может быть склонен к генерации. При макетировании устройства генерация наблюдалась в виде импульсов на выходе стабилизатора с амплитудой около 5 мВ и частотой около 100 кГц. Оказалось, что на склонность стабилизатора к генерации больше всего влияет качество конденсатора С5. Понять, почему это происходит, помогают следующие рассуждения. Допустим, на выходе стабилизатора случайно изменилось напряжение на 1 мВ. Микросхема преобразует это напряжение в изменение выходного тока 2 мА. Регулирующие транзисторы усилят его примерно в 500 раз, что в результате приведет к изменению тока через стабилизатор и конденсатор С5 на 1 А. Это изменение тока вызовет падение напряжения на эквивалентном последовательном сопротивлении (ЭПС) конденсатора, которое пойдет по цепи обратной связи "по второму кругу". Если это падение напряжения превысит 1 мВ, может возникнуть генерация.

Очевидно, устойчивость стабилизатора может обеспечить конденсатор С5 с ЭПС менее 0,001 Ом. Чтобы сделать выбор, были проведены измерения ЭПС конденсаторов различных серий. На конденсатор через резистор подавалось однополярное напряжение с частотой 100 кГц и размахом тока 1 А. ЭПС вычислялось по напряжению на конденсаторе, измеренному осциллографом. Оказалось, что для конденсаторов емкостью более 500 мкФ ЭПС на частоте 100 кГц зависит в основном от конструкции конденсатора, а от его емкости и номинального напряжения зависит слабо.

По результатам измерений конденсатор С5 составлен из десяти параллельно соединенных конденсаторов серии К50-24 по 470 мкФ, в результате чего подавлено самовозбуждение без применения других средств. Для полного использования малого сопротивления батареи конденсаторов С5 нужно, чтобы длина соединительных проводов от выводов конденсатора С5 до правого по схеме вывода резистора R13 и до точки соединения резисторов R10 и R14 была как можно меньше, что показано на схеме. Склонность стабилизатора к генерации, как следует из вышеизложенного, увеличивается при возрастании максимально возможной амплитуды импульса тока, который стабилизатор может подать в конденсатор С5. Это может стать основной проблемой при попытке увеличить максимальный выходной ток. Улучшить устойчивость стабилизатора можно подбором резистора R10, создающего местную отрицательную обратную связь в цепи катода микросхемы. При налаживании стабилизатора этот резистор замыкают перемычкой, затем увеличением числа конденсаторов в батарее С5 устраняют генерацию, после чего перемычку убирают. Стабилизатор приобретает запас устойчивости, достаточный для его нормальной работы даже после частичной потери емкости батареи С5. Конденсатор С2 устраняет влияние индуктивности обмотки герконового реле на устойчивость стабилизатора. В стабилизатор может быть добавлена еще одна степень защиты - от перегревания регулирующего транзистора VT1. Для этого достаточно прижать к корпусу этого транзистора термореле с биметаллической пластиной, срабатывающее при температуре 60...70 °С. Замкнутые контакты термореле включают в разрыв цепи стока транзистора VT3. Перегревание транзистора VT1 вызовет размыкание контактов термореле, в результате чего транзистор VT1 будет закрыт до тех пор, пока не охладится.

Транзистор КП507А (VT3) заменим близким по параметрам КП508А. Микросхему КР142ЕН19 (DA1) допустимо заменить на КР142ЕН19А или зарубежный аналог TL431. Конденсаторы СЗ, С4, используемые в узле защиты как времязадающие, должны быть с малой утечкой, например, из серий ФТ, К78, К71-4. От емкости конденсатора СЗ зависит период срабатывания импульсной защиты, а также длительность запуска стабилизатора. При указанных на схеме сопротивлении резистора R2 и емкости конденсатора СЗ этот период примерно равен 3 с. Существенно уменьшать его снижением емкости конденсатора СЗ не следует, так как при слишком быстром запуске ток зарядки конденсаторов, которые могут находиться в составе нагрузки, может превысить 2 А, что вызовет срабатывание защиты. Герконовое реле К1 - самодельное. На герконе КЭМ1 (или другом аналогичном) наматывают 15 витков обмоточного провода диаметром 0,4-0,7 мм. Затем уточняют число витков по срабатыванию геркона при токе нагрузки 2 А. Транзистор VT1 должен быть установлен на теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности не менее 200 кв.см. При налаживании на вход подают напряжение с выхода лабораторного источника питания. Его максимальное значение не должно превышать 30 В (предельное напряжение анод-катод микросхемы DA1). Подбором резистора R14 устанавливают верхнюю границу регулировки выходного напряжения на 0,5...1 В меньше входного напряжения. Резистор R8 подбирают так, чтобы падение напряжения на нем при токе нагрузки около 2 А было равно половине входного напряжения.

Стабилизатор следует с осторожностью использовать в двуполярных источниках из-за его медленного запуска. Так как геркон импульсной защиты может замыкаться от сильной тряски, не рекомендуется применять предлагаемый стабилизатор в бортовых системах.

Радио №10, 2006г.

Теги:

• Стабилизатор