Меню

Импульсный стабилизатор напряжения с защитой от короткого замыкания



Импульсный стабилизатор напряжения с защитой от замыканий

Импульсный стабилизатор напряжения с защитой от замыканий был разработан в качестве промежуточного стабилизатора напряжения для питания импортного преобразователя напряжения 24/13,8 В. Этот преобразователь питался от генератора с номинальным выходным постоянным напряжением 24 В. При малом потребляемом токе напряжение на выходе генератора достигало 30 В и в преобразователе срабатывала аварийная защита, настроенная на входное напряжение 28 В и более. Для устранения этого эффекта и предназначен данный стабилизатор, который включают между генератором и преобразователем напряжения. Схема импульсный стабилизатор напряжения с защитой от замыканий показана на рисунке.

Импульсный стабилизатор напряжения с защитой от замыканий

На транзисторах VT1, VT2 собран триггер Шмитта, управляющий мощным регулирующим транзистором VT3. При малом выходном напряжении нагрузка ток практически не потребляет, поэтому после подачи входного напряжения конденсатор С2 заряжается через резистор R1 и диод VD4, и когда напряжение на этом конденсаторе достигает значения около 1 В, последовательно открываются транзисторы VT2 и VT3. При этом начинается зарядка конденсатора С2 через транзистор VT3 и дроссель L1, а диод VD4 закрывается. Через дроссель L1 также протекает ток, потребляемый нагрузкой, и в его магнитном поле запасается энергия.

Как только напряжение на конденсаторе С2 превысит 24…25 В, стабилитроны VD1, VD2 и транзистор VT1 открываются, а транзисторы VT2 и VT3 закрываются. На дросселе L1 за счет ЭДС самоиндукции формируется импульс напряжения, которое выпрямляется диодом VD3, и происходит зарядка конденсатора С2. Резистор R2 ограничивает ток базы транзистора VT1. Как только напряжение на конденсаторе С2 станет меньше 24 В, стабилитроны VD1, VD2 и транзистор VT1 закрываются, а VT2 и VT3 откроются и описанный выше процесс повторяется. В случае замыкания выхода диод VD4 откроется, транзисторы VT1—VT3 закроются и останутся в таком состоянии до устранения неисправности.

В случае неустойчивого запуска импульсный стабилизатор напряжения с защитой от замыканий следует применить синхронизацию от автономного генератора импульсов (смотрим рисунок). Синхронизация осуществляется прямоугольными импульсами с частотой следования около 35 кГц, вырабатываемыми генератором, собранным на ОУ КР544УД2. Позиционные обозначения элементов генератора продолжают нумерацию, начатую в схеме на рисунке.

автономный генератора импульсов

Все детали импульсный стабилизатор напряжения с защитой от замыканий монтируют на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рисунке. На плате предусмотрены места для установки элементов генератора. Транзистор VT3 снабжен теплоотводом — дюралюминиевой пластиной размерами 50x30x1,5 мм.

импульсный стабилизатор напряжения плата

Дроссель L1 закреплен на плате перпендикулярно. Применены резисторы МЛТ, С2-23, оксидные конденсаторы К50-35 или импортные, транзистор КТ630Б можно заменить на КТ503Д, КТ503Е с коэффициентом передачи тока не менее 50, транзистор КТ853А заменим на КТ825АМ, КТ825БМ. Диод КД2997А — на аналогичный, например, КД213, 2Д2992, 2Д2993 с любыми буквенными индексами. Дроссель L1 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К28х16х9 из феррита 3000НМ. Перед намоткой магнитопровод аккуратно раскалывают пополам, устанавливают в каждый стык диэлектрическую прокладку толщиной около 0,1 мм и склеивают. Затем обматывают изоляционной лентой и равномерно наматывают 40 витков провода ПЭВ-2 0,8. Правильно собранный из исправных деталей импульсный стабилизатор напряжения с защитой от замыканий в налаживании не нуждается.

Источник

Импульсный стабилизатор напряжения для зарядки аккумуляторных батарей большой емкости

UC3842

Простой импульсный стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок и короткого замыкания для зарядки аккумуляторных батарей большой емкости (от 55 ампер·часов) можно изготовить из распространенных радиодеталей, демонтированных из старых компьютерных мониторов и блоков питания. Особенностью предлагаемого стабилизатора является высокий КПД и, как следствие, минимальный нагрев компонентов. Принципиальная схема устройства изображена на Рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема стабилизатор напряжения.

Стабилизатор основан на микросхеме ШИМ-модулятора UC3842 в стандартной схеме включения с транзисторным инвертором в цепи обратной связи. Для более надежного управления MOSFET в схему добавлен транзисторный драйвер, способствующий ускоренному разряду емкости затвора при коммутации больших импульсных токов.

Читайте также:  Указатель напряжения постоянного тока схемы

Защита от перегрузки по току построена стандартным образом. Датчиком тока служит резистор R9 сопротивлением 0.1 Ом.

Цепь защиты от короткого замыкания выделена на схеме синим цветом. При эксплуатации стабилизатора выяснилось, что при коротком замыкании выхода начинает греться и выходит из строя, если не устранить замыкание, диод 16C40. Для защиты диода от перегрева применена блокировка микросхемы модулятора с определенной временной задержкой. В случае короткого замыкания начинает заряжаться конденсатор С6, и примерно через 4 секунды открывается транзистор, блокирующий работу микросхемы по выводу 3. Для перезапуска стабилизатора нужно устранить короткое замыкание и кратковременно отключить его от питания.

Выходное напряжение регулируется подстроечным резистором R7. Расширить диапазон регулирования можно увеличением сопротивления резистора R6.

Подробнее о конструкции

Дроссель намотан на кольцевом магнитопроводе желтого цвета, демонтированном из компьютерного блока питания. Содержит 28 витков провода ПЭЛ-0.8. При токе 5 А нагревается до 40 градусов. Во избежание тресков и свиста обмотки следует пропитать суперклеем.

Резистор R9 намотан из нихромовой проволоки диаметром 0.7 мм длиной 60 мм. Края проволоки зачищены, обвиты медным проводом 0.8 мм по 3 витка с шагом 0.2 мм, обжаты плоскогубцами и запаяны. При токе 5 А резистор нагревается до 60 градусов.

На Рисунке 2 изображена печатная плата устройства (без цепи защиты диода). Транзистор и диод паяются на медь со стороны проводников, которая вместе с основанием платы и выполняет функцию их радиаторов, а с противоположной стороны крепится дроссель.

Печатная плата показана со стороны пайки. Использованы следующие цветовые обозначения:

  • зеленый – дорожки меди,
  • синий – расположение элементов,
  • белый – маркировка элементов схемы,
  • желтый – перемычки.

Источник

Импульсный стабилизатор напряжения – принцип работы стабилизатора

Линейные стабилизаторы имеют общий недостаток – это малый КПД и высокое выделение тепла. Мощные приборы, создающие нагрузочный ток в широких пределах имеют значительные габариты и вес. Чтобы компенсировать эти недостатки, разработаны и используются импульсные стабилизаторы.

Устройство, поддерживающее в постоянном виде напряжение на потребителе тока с помощью регулировки электронным элементом, действующим в режиме ключа. Импульсный стабилизатор напряжения, так же как и линейный существует последовательного и параллельного вида. Роль ключа в таких моделях исполняют транзисторы.

Так как действующая точка стабилизирующего устройства практически постоянно расположена в области отсечки или насыщения, проходя активную область, то в транзисторе выделяется немного тепла, следовательно, импульсный стабилизатор имеет высокий КПД.

Стабилизация осуществляется с помощью изменения продолжительности импульсов, а также управления их частотой. Вследствие этого различают частотно-импульсное, а другими словами широтное регулирование. Импульсные стабилизаторы функционируют в комбинированном импульсном режиме.

В устройствах стабилизации с регулированием широтно-импульсным частота импульсов имеет постоянную величину, а продолжительность действия импульсов является непостоянным значением. В приборах с регулированием частотно-импульсным продолжительность импульсов не изменяется, меняют только частоту.

На выходе устройства напряжение представлено в виде пульсаций, соответственно оно не годится для питания потребителя. Перед подачей питания на нагрузку потребителя, его нужно выровнять. Для этого на выходе импульсных стабилизаторов монтируют выравнивающие емкостные фильтры. Они бывают многозвенчатыми, Г-образными и другими.

Средняя величина напряжения, поданная на нагрузку, вычисляется по формуле:

Импульсный стабилизатор напряжения

  • Ти – продолжительность периода.
  • tи – продолжительность импульса.
  • Rн – значение сопротивления потребителя, Ом.
  • I(t) – значение тока, проходящего по нагрузке, ампер.

Ток может перестать протекать по фильтру к началу следующего импульса, в зависимости от индуктивности. В этом случае идет речь о режиме действия с переменным током. Ток также может дальше протекать, тогда имеют ввиду функционирование с постоянным током.

Читайте также:  Напряжение кабель 3х1 5 сечение

При повышенной чувствительности нагрузки к импульсам питания, выполняют режим постоянного тока, не смотря со значительными потерями в обмотке дросселя и проводах. Если размер импульсов на выходе прибора незначителен, то рекомендуется функционирование при переменном токе.

Принцип работы

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Импульсный стабилизатор напряжения

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа. Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов. По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера. При поступлении постоянного напряжения в прибор транзистор, работающий в качестве ключа, открыт, и повышает напряжение на выходе. сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение. Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается. Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.

Повышающий стабилизатор

Импульсные повышающие стабилизаторы применяют вместе с нагрузками, разность потенциалов которых выше, чем напряжение на входе приборов. В стабилизаторе нет гальванической изоляции сети питания и нагрузки. Импортные повышающие стабилизаторы называются boost converter. Основные части такого прибора:

Импульсный стабилизатор напряжения

Транзистор вступает в насыщение, и ток проходит по цепи от положительного полюса по накопительному дросселю, транзистору. При этом накапливается энергия в магнитном поле дросселя. Нагрузочный ток может создать только разряд емкости С1.

Отключим выключающее напряжение с транзистора. При этом он вступит в положение отсечки, а следовательно на дросселе появится ЭДС самоиндукции. Оно будет коммутировано последовательно с напряжением входа, и подключено по диоду к потребителю. Ток пойдет по цепи от положительного полюса к дросселю, по диоду и нагрузке.

В этот момент магнитное поле индуктивного дросселя выдает энергию, а емкость С1 резервирует энергию для поддержки напряжения на потребителе после вхождения транзистора в режим насыщения. Дроссель является для резерва энергии и не работает в фильтре питания. При повторной подаче напряжения на транзистор, он откроется, и весь процесс пойдет заново.

Стабилизаторы с триггером Шмитта

Такой вид импульсного устройства имеет свои особенности наименьшим набором компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер. В его состав входит компаратор. Основной задачей компаратора является сравнивание величины выходной разности потенциалов с наибольшим допустимым.

Читайте также:  Что такое импульсные скачки напряжения

Принцип действия аппарата с триггером Шмитта состоит в том, что при увеличении наибольшего напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноля с размыканием электронного ключа. В одно время разряжается дроссель. Когда напряжение доходит до наименьшего значения, то выполняется коммутация на единицу. Это обеспечивает замыкание ключа и прохождение тока на интергратор.

Такие приборы имеют отличия своей упрощенной схемой, но использовать их можно в особых случаях, так как импульсные стабилизаторы бывают только повышающими и понижающими.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения. Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения. Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Импульсный стабилизатор напряжения

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Инвертирующий стабилизатор

Импульсные стабилизаторы инвертирующего типа используют для подключения потребителей с постоянным напряжением, полюсность которого имеет противоположное направление полюсности разности потенциалов на выходе устройства. Его значение может быть выше сети питания, и ниже сети, в зависимости от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция сети питания и нагрузки отсутствует. Импортные приборы инвертирующего типа называются buck-boost converter. На выходе таких приборов напряжение всегда ниже.

Импульсный стабилизатор напряжения

Подключим управляющую разность потенциалов, которое откроет транзистор между истоком и затвором. Он откроется, и ток пойдет по цепи от плюса по транзистору, дросселю к минусу. При таком процессе дроссель резервирует энергию с помощью своего магнитного поля. Отключим разность потенциалов управления от ключа на транзисторе, он закроется. Ток пойдет от дросселя по нагрузке, диоду, и возвратится в первоначальное положение. Резервная энергия на конденсаторе и магнитном поле будет расходоваться для нагрузки. Снова подадим питание на транзистор к истоку и затвору. Транзистор опять станет насыщаться и процесс повторится.

Преимущества и недостатки

Как и все приборы, модульный импульсный стабилизатор не идеален. Поэтому ему присущи минусы и плюсы. Разберем основные из преимуществ:

  • Простое достижение выравнивания.
  • Плавное подключение.
  • Компактные размеры.
  • Устойчивость выходного напряжения.
  • Широкий интервал стабилизации.
  • Повышенный КПД.
  • Сложная конструкция.
  • Много специфических компонентов, снижающих надежность устройства.
  • Необходимость в использовании компенсирующих устройств мощности.
  • Сложность работ по ремонту.
  • Образование большого количества помех частоты.

Допустимая частота

Функционирование импульсного стабилизатора возможно при значительной частоте преобразования. Это является основной отличительной чертой от устройств, имеющих трансформатор сети. Увеличение этого параметра дает возможность получить наименьшие габариты.

Для большинства приборов интервал частот будет равен 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых приборов необходимо учесть высокие гармоники токов. Верхняя граница параметра ограничена определенными требованиями, которые предъявляются к радиочастотным приборам.

Источник