Линейный стабилизатор напряжения на базе микросхемы UC1834

    Содержание 

    Введение……………………………………………………………………...3

    Обзор и анализ стабилизаторов напряжения…………………….………...4

    Описание  многофункциональной микросхемы UC1834……………….....8

    Цоколевка корпусов………………………………………………………..12

    Подробное описание выводов….……….....................................................12

    Выбор и обоснование схемы источника  питания………………………..15

    Описание  электрической схемы выбранного устройства……………….17

    Расчет  силовой части стабилизатора……………………….......................18

    Расчет  навесных элементов………………………………………………..19

    Разработка  печатной платы………………………………………………..21

    Список  использованной литературы……………………………………...23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение 

    Высокие технико-экономические показатели радиоэлектронных устройств во многом зависят от параметров источников вторичного электропитания.

    Наиболее  распространенной являются ИВЭП (источники вторичного электропитания), состоящие из источника переменного напряжения, выпрямителей и стабилизаторов постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как стабильные источники питания, обеспечивающие надежность работы, в других – еще и как источники эталонного (образцового) напряжения.

    Развитие  полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники  практически любой мощности, точности и небольших габаритов. В качестве таких источников большое распространение получили транзисторные стабилизаторы напряжения, обладающие хорошей экономичностью, малой массой и габаритами. Они позволяют получить питание различных нагрузок (в том числе и импульсного характера),  широкий диапазон стабилизированных напряжений от долей до нескольких сотен вольт, токи нагрузок от нескольких миллиампер до нескольких ампер, низкое внутреннее сопротивление.

    Источники питания являются одним из наиболее распространенных узлов современной радиоэлектронной аппаратуры. Качество источников питания – надёжность, экономичность, эксплуатационные данные, габариты – в значительной мере определяет технические модели устройства в целом.

    Постоянное  повышение требований к техническим  характеристикам радиоэлектронных устройств приводит к тому, что и к вторичным источникам питания предъявляются всё более жесткие требования.

    Напряжение всякого источника питания, будь то аккумуляторная батарея или выпрямитель, как правило, нестабильно. Кроме того, изменение тока нагрузки также ведёт к изменению напряжения питания, причём эти изменения тем значительнее, чем больше внутреннее сопротивление источника. Нестабильность питающих напряжений вызывает изменение режимов работы радиоэлетронной аппаратуры. Значительное увеличение питающего напряжения может вызвать пробой конденсаторов, перегрев компонентов аппаратуры и другие явления, приводящие к выводу её из строя. Таким образом, для питания современной радиоэлектронной аппаратуры бытового назначения, а особенно электрорадиоизмерительной и специальной нужно иметь напряжение повышенной стабильности. Этим обусловлен тот факт, что абсолютное большинство источников питания радиоэлектронной аппаратуры выполняется с использованием стабилизаторов напряжения или тока.   

 
 
 

    Обзор и анализ стабилизаторов напряжения 

    Стабилизатором  напряжения называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания (сети переменного напряжения, аккумулятора, гальванического элемента), изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды и др.

    По  принципу работы стабилизаторы делят  на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те и другие могут быть последовательного или параллельного типа.

    Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость.

    Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке. Стабилизатор с последовательным включением регулирующего элемента называют сериесным (series-pas), а с параллельным включением — шунтовым (shunt). Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В импульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме.

    Базовая схема последовательного непрерывного (линейного) стабилизатора показана на рис. 1, а. Основными элементами схемы являются: силовой транзистор VT2, выполняющий функции регулирующего элемента схемы; делитель выходного напряжение R_д1, R_д2, усилитель ошибки на операционном усилителе DA1 с цепью коррекции Z_к; источник опорного напряжения U_on; усилительный транзистор VT1, согласующий выход усилителя ошибки со входом силового транзистора. Конденсатор C1 выполняет роль фильтра высокочастотных составляющих входного напряжения и_вх, а конденсатор С2 необходим при импульсном характере тока нагрузки стабилизатора i_н. Основным классификационным признаком данной схемы (рис. 1, а) является включение регулирующего элемента VT2 последовательно с нагрузкой стабилизатора.

    В параллельном стабилизаторе (рис. 2) регулирующий элемент VT1 

    

    Рис. 1. Базовая схема последовательного стабилизатора (а);

    выходные  характеристики регулирующего транзистора

    и линия нагрузки при активной нагрузке (б) 

    В параллельном стабилизаторе (рис. 2) регулирующий элемент VT1 включен параллельно нагрузке стабилизатора. В отличие от предыдущей схемы здесь в качестве регулирующего элемента используется не биполярный, а МДП-транзистор с каналом n-типа. Достоинством параллельного ста-билизатора является нечувствительность к перегрузкам по току, недостатком – более низкий КПД за счет потерь мощности на балластном резисторе R_б1.

    

    Рис. 2. Схема параллельного стабилизатора 

    Принцип действия последовательного стабилизатора (рис. 1, а) состоит в том, что, например, при снижении выходного напряжения u_вых по какой-либо причине сигнал ошибки регулирования U_оп – K_ди_вых возрастает (здесь K_д= R_д1/( R_д1+ R_д2) – коэффициент передачи делителя). Это приводит к увеличению выходного напряжения усилителя ошибки DA1, а также токов баз i_б1 и i_б2 транзисторов VT1, VT2. Тогда рабочая точка на линии нагрузки (рис. 1, б) смещается вверх от точки A режима равновесия, что приводит к уменьшению напряжения и_кэ2 и повышению выходного напряжения стабилизатора, компенсирующему произошедшее его снижение. Аналогично при повышении выходного напряжения стабилизатора по сравнению с заданным значением по любой причине рабочая точка транзистора VT2 смещается вниз по линии нагрузки, что приводит к повышению падения напряжения на транзисторе VT2 и компенсации произошедшего отклонения выходного напряжения от заданного значения. Здесь заданное значение выходного напряжения примерно равно U_оп /K_д.

    Стабилизаторы компенсационного типа представляют собой  систему автоматического регулирования (структурная схема на рис. 3), содержащую регулирующий элемент и цепь отрицательной обратной связи.

    Управляющим или задающим сигналом для стабилизатора  является опорное (эталонное) напряжение U_оп, получаемое с помощью источника опорного напряжения. Функция нестабильности входного напряжения (питания) стабилизатора обозначена на структурной схеме F₁(U_вх), а функция нестабильности нагрузки – F₂(Z_н). Цепь отрицательной обратной связи включает следящий делитель и усилитель ошибки.

    

    Рис. 3. Структурная схема стабилизатора компенсационного типа 

    Стабилизация выходного напряжения (в определенных границах) достигается изменением параметров регулирующего элемента (для импульсного стабилизатора – коэффициента заполнения импульсов) при воздействии на него сигнала управления U_Упр = U_Ош. Сигнал управления определяется разностью или ошибкой выходного напряжения U_вых относительно опорного U_оп.

    Для анализа динамических свойств стабилизаторов необходимо анализировать их частотные характеристики и вопросы устойчивости. С этой целью для стабилизатора необходимо составить передаточную функцию в операторной форме. Передаточная функция по управляющему воздействию стабилизатора Н_У(р) с последовательным включением регулирующего элемента, изображенного на схеме рис. 3, может быть записана в следующей форме:

    Н_У(р) = W_Ош(p)W_РЭ(p)/[1 + W_Ош(p)W_РЭ σ(p)],

здесь: W_Ош(p) – передаточная функция усилителя ошибки; W_РЭ(p) – передаточная функция регулирующего элемента; σ(p) – передаточная функция следящего делителя.

    Если  в выражении для передаточной функции произвести подстановку  
p = jω, то его можно преобразовать к виду с выделенной вещественной и мнимой частями:

    W_У(ω) = P(ω) + j Q(ω).

    Отсюда  можно выделить модуль или выражение  для амплитудно-частотное характеристики А(ω) = [Р²(ω) +Q²(ω)]^1/2, и аргумент  
φ = arctg[Q(ω) /P(ω)] или выражение для фазо-частотной характеристики. На основе полученных выражений в логарифмическом масштабе строятся логарифмические амплитудно-частотная LА(ω) = 20lgА(ω) и фазо-частотная  
φ = arctg[Q(ω) /P(ω)] характеристики.

    Исследование  динамических характеристик стабилизатора и определение запаса устойчивости системы можно производить известными в теории автоматического управления методами.

    В компенсационных стабилизаторах напряжения сигнал обратной связи является функцией выходного напряжения, а в стабилизаторах тока – функцией выходного тока. Сигнал выходного тока получают с помощью датчика тока, пшенного последовательно с нагрузкой. Датчиком тока может быть, например сопротивление малой величины. Практически все функции автоматического регулирования в стабилизаторах компенсационного типа реализуются с помощью специализированных микросхем, называемых контроллерами.

    Более того, интегральные стабилизаторы с  непрерывным регулированием или иные выпускаются для самых разных применений в виде полного устройства. Применение интегральных стабилизаторов предполагает минимум элементов окружения.

    Стабилизаторы с непрерывным принципом регулирования напряжения широко распространены благодаря высоким качественным показателям и хорошей электромагнитной совместимости.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Описание многофункциональной микросхемы UC1834

    Микросхема  UC1834 позволяет создавать аналоговые стабилизаторы с внешним регулирующим транзистором и без него (при выходном токе не более 0,35 А) при выходном напряжении от 1,5 до 40 В. Микросхема содержит узлы для измерения тока, усилитель ошибки регулирования напряжения, схемы защиты от недопустимых напряжений и тепловую защиту, источник опорных напряжений.

    

    Рис. 4. Принципиальная схема микросхемы UC1834 

    На  рис. 5 показаны возможные схемы включения выводов 12, 13 драйвера микросхемы UC1834 в схему стабилизатора с регулирующим транзистором, включенным в положительной и отрицательной шинах питания. Между выводами 12, 13 упрощенно показан выходной каскад (драйвер микросхемы).

    При малом токе нагрузки (I_н ≤ 0,2 А) выходной каскад (драйвер) микросхемы UC1834 может служить в качестве регулирующего элемента стабилизатора с невысоким КПД, что упрощает схему стабилизатора (рис. 5, а, б).

    Внешний регулирующий транзистор необходим при токах нагрузки более 0,2 А (рис. 5, в, г). Введение резистора R_э в выходную цепь микросхемы (рис. 5, д, е) позволяет обеспечить работу регулирующего транзистора вблизи насыщения и уменьшить минимально возможное падение напряжения на нем до 0,5 В. При больших токах нагрузки (до 30 А) в качестве регулирующего элемента используются составные транзисторы (транзисторы Дарлингтона) (рис. 5, ж, з).