Схема пятивольтовогго блока питания с ШИ стабилизатором
Описываемый сравнительно простой ШИ стабилизатор с защитой от КЗ предназначен для питания самодельного компьютера. Он проще аналогичных, не содержит дефицитных деталей и позволяет монтировать регулирующий транзистор непосредственно на корпусе устройства.
В этом случае специальный теплоотвод для него становится лишним. Его недостатки (присущие всем стабилизаторам с «заземленным» транзистором) — обязательное питание от отдельной обмотки сетевого трансформатора и повышенное напряжение холостого хода. Выходное напряжение стабилизатора 5 В, максимальный ток нагрузки 3 А.
Схема стабилизатора приведена на рис. 5 16. Сильноточная часть устройства, образованная коммутирующим диодом VD2, накопительным дросселем L1, выходными конденсаторами С6, С7 и транзистором VT2, построена по схеме понижающего импульсного стабилизатора напряжения (ИСН). Ее отличительная особенность — включение коммутирующего транзистора VT2 в минусовый провод, что позволило «заземлить» его коллектор. Кроме того, такое включение транзистора дает возможность ввести его в глубокое насыщение, благодаря чему падение напряжения на нем в открытом состоянии получается весьма небольшим.
Рассмотрим подробнее работу сильноточной части стабилизатора При открывании транзистора VT2 минусовый провод источника входного напряжения подключается непосредственно к общему «заземленному» проводу. При этом к диоду VD2 прикладывается
закрывающее его напряжение. Закрываясь (если был открыт), диод создает цепь зарядки конденсаторов С6, С7 от источника входного напряжения. Значение зарядного тока зависит от индуктивности дросселя L1 и времени. На этом этапе работы устройства дроссель выполняет роль реактивного сопротивления, на котором гасится разница между входным и выходным напряжениями. В отличие от активного сопротивления, энергия на котором рассеивается в виде тепла, дросселем она преобразуется в энергию магнитного поля, т.е. аккумулируется
После закрывания транзистора VT2 магнитная энергия, запасенная в дросселе, преобразуясь в электрическую, продолжает поддерживать ток зарядки конденсаторов С6, С7. Так как нагрузку подключают параллельно этим конденсаторам, то во время обеих фаз — накопления энергии дросселем и передачи ее в конденсаторы — они непрерывно разряжаются током нагрузки, и для поддержания на них (а следовательно, и на нагрузке) стабильного напряжения ключевой транзистор VT2 постоянно коммутируется, передавая таким образом мощность источника входного напряжения в нагрузку. Количество энергии, передаваемой за один такт работы устройства, определяется длительностью (шириной) импульсов коммутирующей частоты, за что такой метод и получил название широтно-импульсного.
Остальная часть устройства — формирователь импульсов управления транзистором VT2. Частота этих импульсов, равная примерно 28 кГц, определяется тактовым генератором, собранным на элементах DD1.1, DDI.2. Особенность такого узла — нестандартный способ формирования ширины управляющих импульсов. В данном устройстве они формируются подачей на пороговый элемент суммы пилообразного напряжения и инвертированного напряжения обратной связи. Это позволило обойтись без отдельного компаратора и тем самым упростить устройство в целом.
Переменное напряжение квазипилообразной формы с времязада-ющей RC-цепи генератора через резистор R1 поступает на оба входа элемента DD1.3, работающего в линейном режиме. Здесь оно суммируется с инвертированным напряжением обратной связи, вырабатываемым этим же элементом из напряжения источника питания, и далее подается на пороговый элемент, функцию которого выполняет триггер Шмитта, собранный на элементе DDI.4 и транзисторе VT1 с положительной обратной связью через резистор R9. Конденсатор С4 шунтирует вход 12 элемента DDI .4 по высокой частоте, тем самым предотвращая самовозбуждение стабилизатора и его ложные переключения.
С коллектора транзистора VT1 сформированные импульсы через резистор R12 поступают на базу транзистора VT2 и, таким образом, управляют им. Переменный резистор R3 служит для подстройки постоянной составляющей на входе элемента DDI 3 и, следовательно, регулирования выходного напряжения стабилизатора. Через резистор R6 элементы DD1.3 и DDI.4 охвачены положительной обратной связью, несколько компенсирующей недостаточное их усиление и способствующей формированию более крутых фронтов управляющих импульсов. Стабилизатор обладает триггерным эффектом — в случае КЗ на выходе транзисторы VT1 и VT2 закрываются и тем самым отключают нагрузку.
В таком состоянии транзисторы остаются неопределенно долго, поскольку узел управления стабилизатора питается от выходного напряжения, а нагрузка включена в коллекторную цепь транзистора VT2, который изначально закрыт (резистор R11 шунтирует его эмиттерный переход). Поэтому при пропадании выходного напряжения стабилизатор блокируется, узел управления перестает работать, транзистор VT2 закрывается и поддерживает узел управления в выключенном состоянии. Для запуска стабилизатора после включения питания предусмотрена цепь из диода VD3, резистора R10 и конденсатора С5. В момент включения питания начальный бросок тока заряжает конденсатор С5 через диод VD3 и базовую цепь VT1. При этом транзистор VT1 открывается сам и открывает транзистор VT2.
На выходе стабилизатора появляется напряжение, узел управления «схватывается» и начинает работать самостоятельно. Резистор R10 предназначен для быстрой (3...5 с) разрядки конденсатора С5 после выключения питания и подготовки стабилизатора к новому запуску. Стабилизатор можно выключить кратковременной подачей на входной контакт «Стоп» сигнала низкого уровня. Это может быть полезно, когда описываемый стабилизатор работает в составе многополярного источника питания, и требуется, чтобы в случае аварии в других цепях питания источник +5 В отключался Например, если данный стабилизатор работает совместно со стабилизатором источника +12 В, то контакт «Стоп» можно подключить непосредственно к цепи +12 В: при пропадании напряжения +12 В на этом входе появится сигнал логического 0, который тотчас же выключит и источник +5 В. Если этот вход стабилизатора использовать не планируется, то диод VD1 и резистор R7 можно удалить, а освободившийся вывод 13 элемента DDI.4 соединить с выводом 12.
Дроссель L1, содержащий 12 витков провода ПЭЛ-1 диаметром 1 мм, намотан на магнитопроводе Б22 из феррита 2000НМ с зазором 0,2 мм. Такой зазор образован шлифовкой торцевых поверхностей кернов обеих чашек на глубину 0,1 мм. Обе чашки маг-нитопровода необходимо склеить «жестким» клеем, например, БФ-2, или эпоксидной смолой. На время склеивания магнитопро-вод желательно аккуратно зажать в струбцину или тиски через деревянные прокладки. Все это обеспечит жесткий монтаж дросселя и снизит уровень акустических помех, создаваемых им же (при плохой сборке магнитопровода дросселя он слабо «жужжит» на частоте, равной удвоенной частоте электросети).
Коммутирующий диод 2Д219А (VD2) можно заменить любым другим мощным диодом Шоттки, например, 2Д219Б, КД2998В, или, с некоторым снижением КПД, диодом КД213 с буквенным индексом А или Б. Его желательно установить на теплоотвод площадью около 20 см2. Другие диоды заменимы любыми кремниевыми маломощными, например, серий КД522, КД102. Транзистор КТ626В (VT1) можно заменить на КТ626А, КТ626Б или другим высокочастотным структуры р-п-р средней мощности, а КТ908Б (VT2) — на КТ908А или любым из серии КТ945.
Микросхему К155ЛАЗ можно заменить только на К133ЛАЭ. Использование аналогичных микросхем других серий недопустимо, так как их элементы имеют меньший выходной ток и другую внутреннюю структуру. Пользуясь стабилизатором, не следует подавать на его вход напряжение более 15 В — это может привести к выходу из строя диода VD2, либо к пробою выхода элемента DDI.4. В случае пробоя элемента транзисторы VT1 и VT2 откроются и на нагрузку будет подано полное входное напряжение.
Устойчивость работы стабилизатора во многом зависит от номинала резистора R1. С уменьшением его сопротивления устойчивость и КПД стабилизатора повышаются, но снижается коэффициент стабилизации и растет уровень пульсаций, и наоборот. Не забывайте об этой особенности. Печатная плата стабилизатора приводится на рис. 5.17.
