|
| |
|
Слаботочка Книги Р=(15- 10) X 10 = 50 [Вт] Если входное напряжение поднялось только на 10%, мощность рассеивания стабилизатора будет уже (16.5 - 10) х 10 = 65 Вт, иначе говоря, увеличится на 30%. В связи с этим необходим тщательный анализ, с проведением всех необходимых испытаний, первичного источника питания, для определения среднего значения выходного напряжения при полном токе нагрузки и предельно допустимом падении напряжения на стабилизаторе. При этом уже не требуется перепроектирование по предельному режиму работы, для напряжения ненагруженного стабилизатора, поскольку без нагрузки стабилизатор не потребляет (и, следовательно, не рассеивает в виде тепла) мощность. Мощность рассеивания стабилизатора в предельном режиме обычно оценивается по полному току нагрузки, за исключением случая, когда эффективное сопротивление по постоянному току первичного источника питания (Л\ Л1) больше чем {V* - Vout)/2Ifl, где Vin* - напряжение слабо-нагруженного первичного источика питания, а Ifi - полный ток нагрузки. Для (Цл,* - Vqut) = (5...8) В, и In = (5...10) А, зто дает сопротивление 0.25...0.8 Ом. Если сопротивление первичного источника питания больше зтих значений, мощность рассеивания стабилизатора может оказаться меньше при полном токе нагрузки, чем при промежуточном значении тока, благодаря значительному падению входного напряжения. В связи с этим существенно то, что большинство корректно спроектированных первичных источников питания имеют несколько заниженное выходное сопротивление, и максимум мощности рассеивания стабилизатора соответствует полному току нагрузки, илиблизкому к нему значению тока; это снимает необходимость проведения утомительных натурных испытаний для определения мощности рассеивания в предельно допустимых режимах работы стабилизатора. Важным является правильный выбор емкости конденсатора фильтра со стороны первичного источника питания. При высоких значениях тока потребления, емкости конденсатора зависит преимущественно от переменной составляющей постоянного тока, а не от пульсации напряжения, которая традиционно учитывается в зтом случае. Переменная составляющая тока конденсатора (среднеквадратическое значение) в два - три раза больше постоянной составляющей выходного тока фильтра. Так, активное последовательное сопротивление конденсатора в 0.05 Ом дает внутреннюю мощность рассеивания 30 Вт при выходном токе 10 А. Срок службы конденсатора зависит от его рабочей температуры и уменьшается вдвое на каждые 15°С прироста внутренней температуры конденсатора. В связи с зтим очевидно, что конденсатор малого размера, который быстро нагревается, будет иметь заметно более короткий период безотказной работы. Вторая, не менее важная проблема связана с опасностью резкого спада напряжения на входе стабилизатора. Минимальная разность между входным и выходным напряжением ИС LM196, необходимая для обеспечения стабилизации, составляет 2...2.5 В. Если емкость конденсатора слишком мала, резкие спады входного напряжения могут привести к срыву стабилизации. Позтому минимальная рекомендуемая величина емкости такого конденсатора оценивается в 2000 мкФ на каждый ампер тока нагрузки, что на частоте 120 Гц дает размах пульсаций напряжения около 2 В {р-р). Большие значения емкости будут способствовать увеличению срока службы конденсатора, а меньшая величина пульсаций в зтом случае позволит снизить постоянную составляющую входного напряжения стабилизатора, что влечет за собой снижение себестоимости преобразователя и радиатора. В некоторых случаях предпочтительнее параллельное подключение нескольких конденсаторов, позволяющее снизить последовательное активное сопротивление и увеличить область рассеивания тепла. После определения характеристик первичного источника питания и мощности рассеивания для предельного режима работы стабилизатора LM196, можно переходить к выбору теплового сопротивления теплоотвода по графическим зависимостям (См. Рис. 7...8). Приведенные в зтих графиках кривые определяют минимально необходимый размер радиатора, где каждая кривая семейства соответствует конкретному значению температуры окружающей среды. Графические зависимости получены при значениях теплового сопротивления корпус-область управляющей схемы 0.5°С/Вти корпуса-область мощного транзистора 1.2 С/Вт Для теплового сопротивления контакта корпуса-радиатор выбрано значение 0.2С/Вт Предельное значение температуры для управляющей схемы составляет 150С (LM196) и 125 С (LM396), а для области мощного транзистора - 200С (LM196) и 175*С (LM396). При проектировании для наихудшего случая с использованием упомянутых выше кривых, рекомендуется выбирать зависимости для температуры среды, на25...50С большей начально ожидаемой. Это позволит избежать сползания вправо к предельным значениям рабочей температуры расчетного режима работы стабилизатора. Краткий просмотр приведенных на графиках кривых показывает, что тепловое сопротивление радиатора (0sa) обычно находится в диапазоне значений 0.2... 1.5*С/Вт. Этим значениям соответствуют радиаторы, имеющие значительный объем. Например радиатор типа Model 441, который изготавливают и предлагают несколько фирм, имеет сопротивление &sa - 0.6°С/Вт при естественной конвекции и размер стороны около 127 мм (5 ). Меньшие радиаторы имеют больший объемный КПД, а большие радиаторы - соответственно меньший. Приближенная формула оценки объема радиатора: V= 50/&sA [куб. дюймов]. Эта формула относится только к варианту естественной конвекции. Если радиатор установлен в малом герметичном корпусе, 0sa заметно возрастает из-за препятствий естественным конвекционным потокам воздуха. При использовании принудительной конвекции (обдув вентилятором) сопротивление 0sa падает вдвое при скорости потока (200 фут/мин), и в четыре раза при скорости потока 1000 фут/мин. КОЭФФИЦИЕНТ ПОДАВЛЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ На козффициент подавления пульсаций при частоте пульсаций напряжения 120 Гц влияют как злектрические так и тепловые процессы, протекающие в ИС LM196. Если управляющий вывод не зашунтирован конденсатором, данный козффициент зависит также и от выходного напряжения. Конденсатор емкостью 25 мкФ, включенный между управляющим выводом и землей, обеспечивает независимость коэффициента от выходного напряжения при частотах порядка 100 Гц. В случае меньшей частоты пульсаций напряжения, требуется пропорционально увеличить емкость конденсатора. При этом следует иметь в виду, что емкость шунтирующего конденсатора на управляющем выводе ограничивается сверху допустимым временем, необходимым для установления рабочего режима стабилизатора. Конденсатор емкостью 25 мкФ вместе с сопротивлением выходного делителя удлиняет зтот временной интервал; конкретное его значение определяется особенностями подключения первичного источника питания. НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПО ТОКУ НАГРУЗКИ ИС LM196 является трехвыводым устройством, что делает невозможным подключение делителя, задающего выходное напряжение, непосредственно к нагрузке. Нестабильность по току нагрузки в значительной степени определяется сопротивлением выходного вывода ИС и провода, соединяющего стабилизатор с нагрузкой, В справочных данных, нестабильность по току приведена по результатам измерений на выходе, в точке, отстоящей на 6.35 мм (0.25 ) от нижней части корпуса ИС. Нижнее плечо делителя подключается строго по Кельвину, т.е. непосредственно к отрицательной стороне интегральные нагрузки. Хотя это и не совсем очевидно, но лучше измерять нестабильность по току нагрузки, когда верхняя часть делителя подключена непосредственно к выходному выводу, а не к нагрузке (Рис. 1). При подключении R1 к нагрузке, сопротивление по переменному току между стабилизатором и нагрузкой будет: Я2 + Я1 R1 где Rw - паразитное сопротивление проводников подключения стабилизатора к нагрузке. Если подключение выполнено так, как это показано на Рис. 1, то Rw не домножается на коэффициент передаточного отношения делителя. При использовании стандартного медного провода 0 1.024 мм (# 16), Rw имеет удельное сопротивление около 0.013 Ом/м (0.004 Ом/фут), и дает удельное падение напряжение порядка 130 мВ/м (40 мВ/фут) при токе нагрузки 10 А. В связи с этим очень важно обеспечить минимальную длину соединения положительной полярности между стабилизатором и нагрузкой. Температурную и электрическую нестабильность по току следует учитывать во взаимосвязи с особенностями работы ИС LM196. Продолжительность переходного процесса нестабильности по току нагрузки составляет микросекунды, а температурной нестабильности - в диапазоне 0.2...20 мс, в зависимости от градиента температур в кристалле. Результирующая нестабильность по току, вызванная всеми температурными переходными процессами в ИС, может продолжаться от 20 мс до 20 минут, в зависимости от постоянной времени используемого радиатора. Перепад напряжения, порождаемый нестабильностью по току, вычисляется по формуле: VouT ={ViN- Vout)x Д1оиг X Р, где (3 - температурная нестабильность по току, которая приводится в справочных данных ИС. Для Ц/v = 9 В, VouT = 5 В, AIqut = Ю А и (3= 0.005 %/Вт, это дает изменение выходного напряжения на 0.2 %. Изменение выходного напряжения, вызванное общим подъемом температуры, вычисляется по формуле: VouT =iV,n- Vour) X Лоит ТКХ в, Г/С - температурный коэффициент выходного напряжения; &ja - тепловое сопротивление кристалл/среда (эта характеристика оценивается равной, ориентировочно, 0.5°С/Вт + + & радиатора). Для приведенных выше условий, когда ТК = 0.003%/°С и &ja = 1.5°С/Вт, изменения выходного напряжения составят 0.18%. Эти два показателя, характеризующие тепловые переходные процессы в ИС, могут иметь любую направленность процесса в данный момент, т.е. либо частично взаимно компенсироваться, либо суммироваться, поэтому анализ на наихудший случай ИС следует вести в предположении, что эти процессы суммируются. В предварительных расчетах при подгонке напряжения на нагрузке следует учитывать только переменную составляющую последней для повышения точности выходного напряжения. НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПО НАПРЯЖЕНИЮ Электрическая нестабильность по напряжению характеризуется очень хорошим значением показателя у ИС LM196: типорое значение не превышает 0.005% изменения выходного напряжения при изменении входного напряжения на 1 В. Такой уровень стабилизации возможен только при сравнительно малом токе нагрузки, до начала преобладающего влияния тепловых процессов в ИС. Как видно из следующего примера, даже при терморегулировании на уровне 0.002%/Вт и Г/С- 0.003%/С, тепловые процессы оказывают доминирующее влияние на нестабильность по напряжению (для постоянного тока) Пусть VouT= 5 В, Vin = 9 В, 1оит= 8 А. Тогда 10%-й прирост входного напряжения (0.9 В) порождает быстрое изменение (< 100 мкс) выходного напряжения, под действием электрических процессов, на (0.005%/В) х (0.9 В) = = 0.0045%. За последующие 20 мс выходное напряжение меняется дополнительно на (0.002%/Вт) х (8 А) х (0.9 В) = 0.0144%, в результате возникновения градиентов температур в кристалле. Спустя значительно больший временной интервал, который определяется постоянной времени радиатора теплоотвода, выходное напряжение меняется еще больше, на (0.003%/С) х (8 А) х (0.9 В) х X (2С/Вт) = 0.0432%, под влиянием ТК выходного напряжения и теплового сопротивления кристалл/среда (для данного примера выбрано значение 2С/Вт). Знак двух последних дополнительных составляющих меняется от случая к случаю, и нет оснований рассчитывать на их частичную взаимную компенсацию. В связи с этим, все три отмеченные выше составляющие следует суммировать в процессе проводимого анализа. В итоге получаем: 0.0045 + + 0.0144 + 0.0432 = 0.062% прироста выходного напряжения при номинальных значениях термостабильности и ТК. При анализе на наихудший случай работы стабилизатора, требуется вводить в расчеты максимальные значения термостабильности и ТК, вместе с номинальными значениями теплового сопротивления радиатора. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СТАБИЛИЗАТОРОВ Обычно не рекомендуется параллельный режим работы стабилизаторов, из-за неравномерного распределения тока нагрузки между ними. Стабилизатор с наибольшим опорным напряжением при такой схеме подключения, будет обеспечивать весь ток нагрузки до тех пор, пока не выйдет на предельное значение по току. Например, при токе нагрузки 18 А, один стабилизатор может работать в предельном режиме (ток 16 А), в то время как нагрузка другого стабилизатора будет составлять только 2 А. Очень большая мощность рассеивания в стабилизаторе с большим током нагрузки означает высокую температуру перехода. Долговременная надежность схемы при таком режиме работы, естественно, гарантироваться не может. Квазипараллельная организация работы допускается в тех случаях, когда нестабильность по току не критична. Подключение по схеме, показанной на Рис. 23, дает практически равное распределение тока нагрузки, в типовом случае до значения в 1 А, и до 3 А в наихудшем случае. Нестабильность по току увеличивается и достигает 150 мВ при токе нагрузки 20 А. Снижение значения нестабильности по току дает схема с дополнительным операционным усилителем; пример такой схемы приведен на Рис. 24. ВХОДНОЙ и выходной КОНДЕНСАТОРЫ ИС LM196 работает с широким диапазоном величин входных и выходных емкостей, но требует учета влияния протяженных проводников или малого значения выходной емкости. В случае использования, емкость выходного конденсатора должна быть не менее 1 мкФ; рекомендуется качественный танталовый конденсатор емкостью 10 мкф, для компенсации высокочастотной составляющей выходного импеданса (См. Рис. 16). Установка этого конденсатора как можно ближе к стабилизатору, с короткими соединительными проводами, позволяет уменьшить влияние индуктивности этих проводов. Входной конденсатор вообще не требуется, если стабилизатор смонтирован в пределах 152 мм (6 ) от конденсатора фильтра первичного источника питания и использован стандартный медный провод 0 1.024 мм (#18). Проводка большей длины, требует входного конденсатора емкостью не менее 4.7 мкФ (качественный  интегральные танталовый конденсатор) или не менее 100 мкФ (алюминиевый электролитический конденсатор). КОМПЕНСАЦИЯ ПОТЕРЬ В ВЫХОДНЫХ ПРОВОДНИКАХ Трехвыводные стабилизаторы не позволяют использовать стандартное четырехпроводное подключение (подключение по Кельвину, См. раздел Нестабильность по току нагрузки ). Измерение напряжения на удаленной нагрузке можно осуществить с помощью дополнительного операционного усилителя, который контролирует падение напряжения на положительном выходном проводе (напряжение, которое невозможно отследить при типовой схеме включения стабилизатора). На Рис. 24 показана такая схема подключения операционного усилителя типа LM301A, корректирующего падение напряжения на проводе таким образом, чтобы оно проявилось на резисторе R3. Проходящий через этот резистор ток вытекает через вывод Й] - операционного усилителя, и далее проходит через резистор R4. Падение напряжения на резисторе R4 повышает выходное напряжение на величину, равную падению напряжения на выходной проводке, компенсируя тем самым эти потери. Исходная погрешность выходного напряжения операционного усилителя (сравнительно малая величина, порядка 40 мВ) определяется наличием тока потребления операционного усилителя. Диапазон компенсации лимитирован предельным значением выходного тока операционного усилителя и составляет для рассматриваемой схемы около 300 мВ. Этот предел можно поднять путем увеличения сопротивления резисторов R3 и R4, но это приведет к увеличению исходной погрешности выходного напряжения операционного усилителя. ТРАНСФОРМАТОР И ДИОДЫ Большое значение при работе с сильноточной нагрузкой имеют характеристики трансформатора, поскольку требуется найти оптимальный вариант, удовлетворяющий противоречивым требованиям обеспечения эффективности (КПД) и допуска для обеспечения работы линии с низким напряжением. Трансформатор с высоким вторичным напряжением порождает необоснованные потери мощности, что в конечном счете приводит к дополнительному тепловыделению в стабилизаторе. Заниженное вторичное напряжение повышает вероятность срыва стабилизации. Приведенные ниже формулы позволяют вычислить необходимые значения вторичного напряжения и отводимого из средней точки тока в схеме двухполупериодного выпрямления: 1 (rms) = Vout + Vesa + Vesr + VippleI X Vlow XI.1 Дополнительный множитель 1.1 в этой формуле следует учитывать только для оценки нелинейности трансформатора по току нагрузки. I(rms) - Iqut X 1.2 (для отвода из средней точки в схеме двухполупериодного выпрямителя со средней точкой). В этих формулах: 1оут - Регулируемое выходное напряжение (постоянная составляющая). Vreg - Минимальное падение напряжения вход-выход стабилизатора. 1яетт - Падение напряжения на выпрямителе в режиме прямого тока при трехкратном значении выходного тока (постоянная составляющая). Vripple - Половина размаха напряжения пульсаций на конденсаторе; 5.3х10 х7оиг Vlow - Нижний уровень значения переменного напряжения в сети (среднеквадратическое значение). Iqut- Выходной ток (постоянная составляющая). Например: Iqut = 10 А. Vqut = 5 В; Допустим, что VpiEG = 2.2 В, 1/ есг = 12 В, Vr,pple = 2 В (р-р), 1/л,ол<= 115 В, W=105 В, 5 + 2.2 + 1.2 + 1 V(rms) = Конденсатор С: хх 1.1=8.01 [В] (2 X С) Vnom - Номинальное значение переменного напряжения в сети (среднеквадратическое значение). 5.3X10-3XW . 5.3x10-3x10 6500 [мкФ] 2 VftiPPLE 2 Диоды двухполупериодной схемы выпрямления с конденсаторами на выходе, должны быть рассчитаны на значительно большие значения постоянного тока, чем их средний ток. Например при токе нагрузки 10 А, средний ток каждого диода имеет ориентировочное значение порядка 5 А, но диоды должны выбираться из расчета на ток порядка 10... 15 А. Обоснование такого вывода связано с многими факторами, как чисто электрического, так и температурного характера. Импульсный режим работы диода с длительностью импульса порядка 3.5 мс означает, что максимальное значение тока в 5...8 раз превышаетего среднее значение, а среднеквадратическое значение тока превышает это среднее в 1.5...2.0 раза. Продолжительная, непрерывная работа диода в этом режиме приводит к его нагреву, эквивалентному постоянному току 10 А. Однако наиболее важным является расчет импульсного тока диода в течение одного цикла при включении питания. Максимальное значение импульсного тока в 10...20 раз больше значения постоянного выходного тока, другими словами, для рассматриваемого примера - тока нагрузки 10 А, составит 100...200 А. Следовательно, диоды должны выдерживать однократный, на протяжении одного цикла режим с током 200 А или более, и именно зто условие обычно не соблюдается, когда осуществляется выбор диодов на нагрузку 10 А (средний ток), или меньшего значения этого тока. Следует всегда иметь в виду, что даже в тех случаях, когда стабилизатор LM196 планируется использовать на ток нагрузки меньше 10 А, диоды должны выдерживать кратковременный режим работы со средним током до 12. ..15 А. При меньших трансформаторах и конденсаторах фильтра в схемах питания нагрузки меньшим током, соответственно меньшими будут и импульсные токи, но если отсутствуют специальные справочные данные по работе диодов в предельных режимах с выбросами напряжения, лучше не экономить на диодах. Рекомендуются устройства в корпусе D0-4. Диоды с катодом, подключенным к корпусу, можно крепить на радиаторе, который предназначен для стабилизатора LM196, поскольку корпус стабилизатора является его входом. Часть диодов серии 1N1200 предназначена для работы со средним током 12 А и оформлена в пластмассовом корпусе типа D0-4. Есть и другие типы диодов, такие как пары диодов с общим катодом в корпусе ТО-3, как обычные, так и диоды Шотки, либо разнообразные пары диодов, оформленных как пластмассовые сборки. Диоды Шотки более эффективны, особенно в случаях с низким выходным напряжением. Например, при напряжении питания 5 В, диоды Шотки снижают потери мощности до 6 Вт, либо предоставляют, как альтернативный вариант, дополнительное 5%-е снижение границы рабочего режима при низком входном напряжении стабилизатора. интегральные 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [32] 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 |