КСПН непрерывного действия на основе ИМС К142ЕН1

Собственно микросхема К142ЕН1 без дополнительных внешних элементов не позволяет обеспечить работу стабилизатора. Схема КСПН на основе ИМС К142ЕН1 с минимальным количеством внешних элементов приведена на (см. рис.9. Дополнительные элементы схемы (см. рис.9) имеют следующее назначение: резисторы R1, R2 – представляют собой делитель напряжения схемы сравнения; конденсаторы C1, C2 обеспечивают устойчивую работу КСПН непрерывного действия; резисторы R3 – R5 работают в схеме электронной защиты стабилизатора от перегрузки по току потребителя или короткого замыкания в нагрузке, причем резистор R3 называют датчиком тока.

Рис.9. Типовая схема включения интегрального стабилизатора К142EH1

Схема КСПН непрерывного действия (см. рис.9) работает следующим образом. Допустим, возросла величина напряжения на входе КСПН (стабилизируемое напряжение), при этом также увеличивается напряжение на выходе стабилизатора, соответственно, растет ток делителя схемы сравнения I_ДЕЛ (резисторы R1, R2), становится больше величина напряжения U_RII и напряжение на базе U_Б7 транзистора дифференциальной схемы сравнения ИМС. Это приводит к росту тока базы I_Б7 и тока коллектора I_К7 , уменьшается напряжение на базе U_Б3 транзистора регулирующего элемента КСПН, что приводит к увеличению падения напряжения между коллектором и эмиттером транзистора VT4 (U_КЭ4) ИМС К142ЕН1, уменьшается напряжение на выходе стабилизатора, возвращаясь приблизительно к первоначальному значению (U_ВЫХ = const). В данном случае напряжение U_RII на выходе резистивного делителя напряжения схемы сравнения (см. рис.9) сравнивается с помощью дифференциальной схемы сравнения ИМС (см. рис.8) со значением U_ОП внутреннего стабильного источника опорного напряжения, выделенный разностный сигнал усиливается однокаскадным усилителем постоянного тока (транзистор VT7 с динамической нагрузкой VT2), далее подается усиленный сигнал рассогласования на базу регулирующего составного транзистора (VT3, VT4), который изменяет величину напряжения U_КЭ4 таким образом, чтобы компенсировать изменения U_ВЫХ стабилизатора и напряжение на выходе стабилизатора поддерживается приблизительно постоянным с заданной степенью точности. Подобным образом можно рассмотреть работу КСПН при изменении тока потребителя (I_Н), когда за счет действия ООС КСПН компенсируется влияние изменяющего тока I_Н на значение U_ВЫХ выходного напряжения стабилизатора (см. рис.9).

Дискретные внешние элемент КСПН (см. рис.9) выбираются из условий обеспечения электрических режимов функционирования микросхемы К142ЕН1 (а равно и микросхемы К142ЕН2). Схема включения (см. рис.9) позволяет получить стабилизированное напряжение положительной полярности, требуемое значение которого в определенных пределах (пределы изменения U_ВЫХ для ИМС К142ЕН1, Е142ЕН1 приведены в прил. 2) можно установить с помощью резистора R1 внешнего делителя напряжения. Обычно R1 20 кОм. Сопротивление резистора R2 выбирается из условия получения тока выходного делителя (резисторы R1, R2) I_ДЕЛ ≥ 1,5 мА и составляет величину R2 = 1,2 кОм.

Величины емкости конденсаторов С1, С2 зависят от значения выходного напряжения стабилизатора: при U_ВЫХ < 5В С1 > 0,1 мкФ, С2 = (5–10) мкФ; при U_ВЫХ > 5В С1 ≥ 100 пФ, С2 ≥ 1,0 мкФ.

На рис.9 с помощью резисторов R3 – R5 обеспечивается работа схемы электрической защиты КСПН от перегрузки по току и короткого замыкания в цепи потребителя. С помощью делителя, выполненного на резисторах R4, R5, задается напряжение на базе транзистора VT9 ИМС К142ЕН1 (см. рис.8). Резистор R3 выполняет функцию датчика тока. Электронная схема защиты КСПН (см. рис.9) от перегрузки по току срабатывает при таком увеличении тока на стороне потребителя, когда падение напряжения на резисторе R3 составляет величину порядка 0,7В. В этом случае транзистор VT9 микросхемы К142ЕН1
(см. рис.8) открывается, напряжение на базе регулирующего элемента КСПН (транзисторы VT3, VT4 на рис.8) уменьшается и транзисторы VT3, VT4 закрываются, а напряжение на выходе стабилизатора начинает уменьшаться. При этом внешняя характеристика КСПН (см. рис.9) имеет вид, представленный на рис. 10.

Рис.10. Внешняя характеристика КСПН на основе ИМС КI42EH1

Сопротивления резисторов электронной схемы защиты КСПН (см. рис.9) выбираются в соответствии с соотношениями

; (37)

, (38)

где U_БЭ9 = U_БЭ4 0,7В – напряжения на переходах база-эмиттер транзисторов VT9, VT4 ИМС К142ЕН1 (см. рис.8); I_{Н ПОР} – пороговое значение тока на стороне потребителя, при котором включается электронная схема защиты (при токе I_{Н НОМ} – номинальный ток нагрузки – электронная схема не срабатывает);
I_Д2 = 0,3мА – ток делителя напряжения на резисторах R4, R5, с помощью которого задается напряжение на базе транзистора VT9 (см. рис.8); R4 = 2кОм.

Если ток нагрузки превышает предельно допустимое значение выходного тока микросхемы К142ЕН1, необходимо включить дополнительный внешний мощный транзистор (или транзисторы) в качестве дополнительного регулирующего элемента. При этом схема (см. рис.9) видоизменяется и принимает вид, показанный на рис.11.

Рис.11. Схема реализации КСПН с повышенными токами нагрузки на основе ИМС К142ЕН1 с помощью внешнего транзистора n-p-n типа

Кроме рассмотренного основного назначения интегральных стабилизаторов с регулируемым выходом, они могут быть использованы для создания различных узлов систем электропитания другого функционального назначения. В частности, на основе интегральных стабилизаторов непрерывного действия с последовательным включением регулирующего элемента можно создать схемы параллельных и импульсных стабилизаторов напряжения, стабилизаторов тока, активных сглаживающих фильтров, автогенераторов, пороговых устройств и т.д.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка (рис.12) включает универсальный стенд, в котором смонтированы схемы выпрямителей, сглаживающих фильтров, интегрального стабилизатора постоянного напряжения компенсационного типа, панели с приборами. Прибор (мА) измеряет общий ток, потребляемый компенсационным интегральным стабилизатором и нагрузкой, а вольтметр (V) служит для измерения входного стабилизируемого напряжения КСПН. Для измерения напряжения и тока на выходе стабилизатора необходимо подключить цифровой вольтметр и миллиамперметр (мА1, V1), как указано на (см. рис.12). К лабораторному стенду также подключается осциллограф для оценки уровня пульсаций напряжения на входе и выходе стабилизатора.

5. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

5.1. Ознакомьтесь со схемой интегрального компенсационного стабилизатора постоянного напряжения непрерывного действия, ее элементами и приборами. Включить стенд в сеть переменного тока.

5.2. Собрать схему для исследования компенсационного интегрального стабилизатора постоянного напряжения в соответствии с рис. 12, замкнуть накоротко резисторы R1, R2. При этом необходимо собрать мостовую схему выпрямления, работающую на П - образный LC сглаживающий фильтр.

5.3. Определить нижнее и верхнее значение выходного напряжения интегрального стабилизатора. Для этого с помощью переключателя S2 установить величину напряжения на входе стабилизатора, равную 35В. Переключателем S5 (установка R_НСТ «грубо») и резистором R14 (установка R_НСТ «точно») установить значение тока нагрузки стабилизатора 10мА (при U_ВЫХ=10В) и с помощью резистора R18 найти нижнее и верхнее значение U_ВЫХ стабилизатора.

5.4. Снять зависимость U_ВЫХ=f(U_ВХ)|_Rн=const при токе нагрузки стабилизатора I_Н=0; 20мА для трех значений выходного напряжения: 5В; 9,5В; 15В. Требуемое выходное напряжение установить с помощью резистора R18. Величина входного напряжения изменяется с помощью переключателя S2 и перемычек П1 и П2. Полученные результаты свести в табл. 1.

Таблица 1

IН=0 UВЫХ=5В UВЫХ =9,5В UВЫХ =15В	UВХ, В
UВЫХ, В
IН=20мА UВЫХ =5В UВЫХ =9,5В UВЫХ =15В	UВХ, В
UВЫХ, В

5.5. Снять внешние характеристики компенсационного интегрального стабилизатора Uвых = f(Iн)|_Uвх=const при Uвх » 25В для трех значений выходного напряжения: 5В; 9,5В; 15В. В этом случае необходимо заменить прибор мА1 перемычкой, чтобы устранить влияние сопротивления прибора на экспериментальные данные. Ток потребления измерять с помощью прибора мА на входе КСПН. Результаты измерений свести в таблицу 2, фиксируя также значения входного тока стабилизатора.

5.6.Снять и зафиксировать осциллограммы формы напряжений на входе и выходе стабилизатора при U_ВЫХ = 9,5В, I_Н = 10мА и различных видах сглаживающих фильтров на выходе мостовой схемы выпрямления.

5.7.Определить коэффициент сглаживания компенсационного интегрального стабилизатора постоянного напряжения в соответствии с выражением (5) при различных видах сглаживающих фильтров. Измерения провести при
U_ВЫХ = 9,5В и I_Н = 20мА.

Таблица 2

UВХ =25В   UВЫХ=5В	IН, мА
UВЫХ, В
IВХ, мА
UВХ =25В   UВЫХ=9,5В	IН, мА
UВЫХ, В
IВХ, мА
UВХ =25В   UВЫХ=15В	IН, мА
UВЫХ, В
IВХ, мА

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

1. Формулировку цели исследования.

2. Принципиальную схему установки.

3. Таблицы результатов измерений.

4. Осциллограммы форм напряжений.

5. Графики зависимости U_ВЫХ = f(U_ВХ)|_Rн=const.

6. Графики внешних характеристик U_ВЫХ = f(I_Н)|_Uвх=const.

7. Расчет коэффициента стабилизации по графикам U_ВЫХ = f(U_ВХ) и сравнение его с паспортным значением на интегральный стабилизатор напряжения.

8. Расчет коэффициента сглаживания стабилизатора.

9. Расчет внутреннего сопротивления интегрального компенсационного стабилизатора.

10. Анализ полученных результатов.

Форма титульного листа отчета по лабораторной работе приведена в прил.1.

7. ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Перечислите классификационные признаки компенсационных стабилизаторов напряжения.

2. Нарисуйте основные структурные схемы компенсационных стабилизаторов непрерывного действия и поясните их принцип работы, назначение отдельных функциональных узлов, достоинства и недостатки.

3. Какие основные параметры стабилизаторов напряжения Вы знаете?

4. Нарисуйте схему транзисторного компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с последовательным включением регулирующего элемента и объясните принцип работы, назначение элементов.

5. Перечислите основные дестабилизирующие факторы, влияющие на постоянство выходного напряжения компенсационного стабилизатора.

6. Укажите методы построения регулирующих элементов, сравнивающих схем и усилителей постоянного тока.

7. Нарисуйте схему транзисторного компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с параллельным включением регулирующего элемента и объясните принцип его работы, назначение элементов.

8. Расскажите о назначении элементов интегрального стабилизатора постоянного напряжения на основе ИМС К142ЕН1, перечислите технические параметры схемы.

9. Нарисуйте типовую схему включения интегрального стабилизатора К142ЕН1, поясните принцип действия и требования к элементам схемы.

10. Укажите пути увеличения коэффициента стабилизации компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения.

11. Нарисуйте схему компенсационного последовательного стабилизатора с повышенными токами нагрузки на основе ИМС К142ЕН1.

12. Что называется внешней характеристикой стабилизатора напряжения, и какой она имеет вид?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Иванов-Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС: учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп./ А.И. Иванов-Цыганов. – М.: Высшая школа, 1991. – 272 с; 1984 (3-е изд.). – 280 с.; 1979 (2-е изд.). – 304 с.

2. Бокуняев А.А. Электропитание устройств связи: учебник для вузов / А.А. Бокуняев и др.; под ред. Ю.Д. Козляева. М.: Радио и связь, 1998. – 328 с.

3. Костиков В.Г. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: учебник для вузов / В.Г. Костиков, Е.М. Парфенов, В.А. Шахнов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с.

4. Елфимов В.И. Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных средств: методические указания и контрольное задание / В.И. Елфимов. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 1998. – 27 с.

5. Полянин К.П. Интегральные стабилизаторы напряжения./ К.П. Полянин – М.: Энергия, 1979. – 192 с.

6. Исследование выпрямительных устройств гармонических сигналов: методические указания к лабораторным работам / А.А. Дурнаков, В.И. Елфимов, Н.С. Устыленко. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2003. – 26 с.

7. Елфимов В.И. Исследование компенсационного стабилизатора постоянного напряжения на интегральной микросхеме: методические указания к лабораторной работе / В.И. Елфимов, Т.И. Филатова, В.И. Шукстов. – Свердловск: УПИ, 1989. – 22 с.