книги из ГПНТБ / Венгеровский, Л. В. Прецизионные полупроводниковые стабилизаторы

ный 50—80 на. Напряжение шумов микросхемы, при­ веденное ко входу, не превышает 10—30 мкв.

Как видно из изложенного, даже самые лучшие и ста­ бильные элементы обладают существенным временным дрейфом за длительный период времени. Очевидно, что без учета этого вида воздействий на выходное напряже­ ние ПСН невозможно разработать ПСН с заданными требованиями по точности.

Для обеспечения минимального влияния временного дрейфа элементов на выходное напряжение ПСН можно дать следующие рекомендации.

1. В звеньях ИПУ, ИЭС, ПУЭС, СУ, ЗУ и в первых каскадах УПУ ПСН, имеющих максимальное влияние на выходное напряжение ПСН, применять самые ста­ бильные элементы.

2.Элементы, предназначенные для установки в этих звеньях, должны быть подвергнуты термоциклированию или предварительному старению в течение 500 ч при по­ вышенной температуре.

3.Элементы должны быть выбраны из расчета их

загрузки на 50% как с точки зрения предельно допу­ стимых напряжений и токов, так и с точки зрения теп­ ловых режимов, особенно при работе в условиях пони­ женных давлений окружающей среды.

4.Применять только проволочные резисторы сред­ них величин (3—20 ком) из манганинового провода.

5.Если необходимо использовать переменные ре­

зисторы, то номинальные значения их должны выби­ раться в пределах 5—10 ком, а сами резисторы должны быть из сплавов на основе благородных металлов.

6.Элементы должны иметь покрытие и герметиза­ цию, обеспечивающие отсутствие внешнего механиче­ ского давления на корпус и основные узлы элементов.

7.Желательно в наиболее ответственных узлах ПСН

применять интегральные микросхемы, изготовленные в одном кристалле, вместо схем, собранных из дискрет­ ных компонентов.

8. При использовании микросхем типа 1УТ 401 и

1УТ 402 резисторы во входных цепях микросхемы должны быть по возможности равные и небольших ве­ личин (до 10 ком).

80

Г Л А В А П Я Т А Я

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ р е а л и з а ц и и пен

14. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПСН

Как видно из изложенного, ПСН в наиболее распро­ страненном варианте представляет собой сложную мно­ гоконтурную систему автоматического регулирования имеющую основной контур регулирования по отклоне­ нию, один или несколько контуров регулирования и цепей компенсации по возмущениям. Следует добавить, что рассматриваемая группа ПСН относится к электрон­ ным полупроводниковым системам, неизолированным, имеющим конкретные связи с системой, в которую они включены.

Обычно перед разработчиком ставится задача созда­ ния ПСН для конкретной системы. Проектированием ПСН будем называть период времени от формулирова­ ния технического задания до передачи на завод техни­ ческой документации, по которой будет осуществляться серийное производство ПСН. Проектирование включает в себя следующие этапы: 1) формулировку задачи; 2) выбор и синтез приемлемых решений; 3) выявление путей реализации выбранного варианта; 4) оценку до­ стигнутых результатов и сравнение их с поставленными

является одним из важнейших в создании ПСН и оказы­ вает существенное влияние на ход развертывания работ по проектированию и качество получаемых результатов. Технические требования к ПСН устанавливаются за­ казчиком — разработчиком системы, включающей ПСН. Общие технические требования подразделяют на экс­ плуатационные, конструктивно-технологические и про­ изводственные.

Эксплуатационные требования определяются в пер­ вую очередь эксплуатационной обстановкой, которая характеризуется в основном климатическими (темпера­ тура, влажность, давление) и механическими (вибро­

81

устойчивость, вибропрочность, ударная прочность) воз­ действиями. Необходимо знать условия и сроки хране­ ния ПСН, возможные виды транспортировки, техноло­ гические особенности завода-изготовителя ПСН, пред­ полагаемое количество выпускаемых ПСН в год и мак­ симальное снижение себестоимости.

Весь комплекс эксплуатационных требований на­ правлен на то, чтобы в процессе эксплуатации ПСН было обеспечено следующее: 1) требуемое время готовности ПСН; 2) удобство обслуживания и проведения регла­ ментных работ; 3) безопасность обслуживания; 4) за­ данная длительность срока службы в заданных усло­ виях эксплуатации; 5) приспособленность ПСН к дли­ тельному хранению; 6) механическая жесткость и проч­ ность; 7) устойчивость параметров ПСН под воздействием климатических факторов, соответствующих климатиче­ ским условиям эксплуатационной обстановки; 8) нор­ мальный тепловой режим ПСН; 9) масса и габариты ПСН; 10) отсутствие наводок через цепи связи ПСН с си­ стемой .

Конструктивно-технологические и производственные требования направлены на то, чтобы обеспечить взаимо­ заменяемость ПСН и отдельных узлов и элементов ПСН; максимальную типизацию и унификацию конструкций ПСН; максимальное сокращение номенклатуры элек­ трических элементов, материалов и полуфабрикатов; технологичность деталей ПСН, удобство сборки, воз­ можность максимальной механизации и автоматизации при изготовлении; заданную прочность и срок службы; простоту выполнения электрического монтажа; удобство сборки и производства регулировочных работ.

Специальные технические требования к ПСН выра­ батываются на основании анализа технических' требо­ ваний, предъявляемых к системе, для которой он пред­ назначен, и результатов предварительного расчета тех подсистем, которые будут от него запитаны. Поэтому в техническое задание на проектирование ПСН, кроме общих требований, обычно включают: номинальное вы­ ходное напряжение; допуск на установку номинального выходного напряжения; максимальный ток нагрузки ПСН; действительный сброс нагрузки; типономиналы питающих напряжений и допуски на их изменения; мак­ симально допустимую величину пульсаций; максималь­

82

ную интегральную нестабильность выходного напряже­ ния ПСН при полном изменении питающих напряже­ ний, при изменении нагрузки, при изменении темпера­ туры в рабочем диапазоне температур и с учетом вре­ менного дрейфа за определенный интервал времени. В некоторых случаях задаются дополнительные требо­ вания, например требование регулировки выходного напряжения и другие.

Так как основной задачей проектирования ПСН яв­ ляется достижение высокой точности поддержания вы­ ходного напряжения при воздействии на ПСН разнооб­ разнейших возмущений, то особое внимание при состав­ лении технического задания следует уделить анализу возможных возмущений.

При проведении такого анализа сначала дают качест­ венную оценку действующих возмущений, т. е. опреде­ ляют перечень возмущений, действующих на ПСН. За­ тем определяют диапазон возможных изменений возму­ щений, т. е. оценивают возмущения количественно.

На этом этап предварительной формулировки задачи проектирования ПСН заканчивается.

Выбор структурных схем и синтез приемлемых ре­ шений ПСН начинают с выбора базового возмущения. Таким возмущением может быть, например, питающее напряжение, приведенное в техническом задании как допустимое и наиболее полно удовлетворяющее по но­ минальному значению и диапазону возможных измене­ ний. Затем на основании выбранного базового возмуще­ ния разрабатывается структурная схема основного кон­ тура ПСН. Далее приступают к подробному количест­ венному анализу действующих на ПСН возмущений. Для этого определяют точки приложения возмущений, приводя их к основному контуру ПСН; уточняют диапа­ зон возможных изменений возмущений, приведенных к точке приложения; определяют-возмущения, разделяя их по группам на действующие по электрическим соеди­ нениям, воздействий окружающей среды и собственные возмущения; ориентировочно оценивают степень влия­ ния возмущений на выходное напряжение ПСН; (Опре­ деляют влияние возмущений на выходное напряжение ПСН в диапазоне их возможных изменений, ориентиро­ вочно оценивают погрешность, ожидаемую от действия возмущений. В зависимости от величины погрешности

83

проводят разделение возмущений на главные (+ ) и вто­ ростепенные (—).

Результаты анализа возмущений целесообразно све­ сти в таблицу.

Далее приступают к сбору и анализу информации по уже разработанным ПСН, обладающим техническими характеристиками, наиболее приближающимися к тре­ буемым по техническому заданию. Детальному анализу подвергаются не менее 10 шт. ПСН. Причем анализ про­ водят с позиций оценки составляющих погрешности ПСН от возмущений. По результатам анализа состав­ ляется таблица аналогичной формы. Разница между составлением таблицы при анализе действующих на про­ ектируемый ПСН возмущений и составлением анало­ гичной при анализе уже разработанных ПСН заклю­ чается в том, что в первом случае оценивается погреш­ ность при наличии только основного контура ПСН, а во втором — погрешность с учетом всех дополнительных методов уменьшения возмущений. Затем, используя графу относительной погрешности, определяют влияние погрешности от каждого воздействия на полную (интег­ ральную) погрешность ПСН. Эти соотношения состав­ ляющих погрешности ПСН усредняются с учетом ана­ лизируемых данных по другим источникам информации. Усредненные значения являются исходными для рас­ пределения интегральной погрешности проектируемого ПСН между составляющими погрешности от главных действующих возмущений.

84

Таким образом определяются допустимые значения составляющих погрешности ПСН, являющиеся резуль­ татом действия соответствующих возмущений, на осно­ вании которых разрабатывается полная структурная схема ПСН.

При отсутствии информации по аналогичным ПСН или ее недостаточности и, естественно, невозможности проведения анализа распределение составляющих по­ грешности ПСН производят из условия «равнопрочности», т. е. погрешность распределяют равномерно на все возмущения.

Сравнивая относительные погрешности для проекти­ руемого ПСН и допустимые значения составляющих погрешности, легко определить, какие возмущения и ка­ кой группы требуют дополнительной стабилизации или компенсации. Используя материалы гл. 1, выбирают альтернативный ряд структурных схем, которые пред­ положительно могут привести к желаемым целям. Из этого ряда необходимо выбрать ограниченное число схем, являющихся, по-видимому, наиболее вероятными в достижении успеха. Обычно на этом этапе разработчик сталкивается с тем, что ему необходимо получить допол­ нительную информацию для выбора единственного ва­ рианта. Кроме того, здесь выявляются наиболее сущест­ венные и спорные предположения, на основании кото­ рых возможен выбор структурной схемы, наиболее полно удовлетворяющей поставленным требованиям.

Каждая из альтернативных структурных схем опи­ сывается с помощью уравнений, моделей или других методов, позволяющих выявить пути реализации струк­ турных схем с помощью физических элементов, т. е. намечается ориентировочная принципиальная схема. Намеченные принципиальные схемы ПСН подвергаются тщательному аналитическому и численному анализу. Если на этом этапе разработчику не хватает информации, проводят изготовление моделей отдельных звеньев или даже всего ПСН, исследуют эти модели, подвергают их испытаниям.

Как видим, проектирование ПСН является итера­ тивным процессом, и на каждом этапе итерации разра­ ботчик пытается найти более совершенные решения. На первых этапах, когда исходные данные еще не до­ статочно хорошо известны, применяются приближенные

85

методы, расчеты и испытания. По мере того как вскры­ вается чувствительность выходного напряжения от воз­ действий, в первом приближении можно пренебречь вто­ ростепенными факторами. Позднее, когда будут изучены, поняты и учтены основные, главные причины появления погрешности ПСН, в анализ следует включить и второ­ степенные факторы, не учтенные ранее, с тем чтобы обес­ печить уверенность в том, что на последующих этапах расчета не возникнет никаких неожиданностей и в це­ лом будут получены удовлетворительные результаты.

Для проведения численного анализа и построения принципиальных схем ПСН могут потребоваться неко­ торые эмпирические соотношения, аппроксимации, чис­ ленное задание каких-либо кривых и т. д. Поэтому очень часто бывает необходимым провести значительные ис­ следования, эксперименты и вообще широкую работу по сбору необходимой информации, прежде чем может быть составлена принципиальная схема по имеющейся структурной, базирующаяся на количественных взаимо­ связях в ПСН.

Теперь необходимо пересмотреть все имеющиеся ре­ шения не только с позиций удовлетворения технических требований ПСН, но и с позиций оценки таких показа­ телей эффективности ПСН, как технологичность, надеж­ ность, стоимость, габариты и масса, с тем, чтобы выбрать единственное решение, которое будет реализовано. Если и на этом этапе не удается произвести такой выбор, оставляют не более двух альтернативных решений и подвергают их физической реализации.

Таким образом, решение проблем, возникающих при проектировании ПСН, является процессом постепенного перехода от постановки задачи к реализации оборудова­ ния, образующего ПСН. Вначале основные усилия на­ правлены на разработку математических зависимостей и составление структурной схемы (модели). Численные решения, полученные по уравнениям и на моделях, со­ поставляются с заданием. По мере прогресса в исследо­ ваниях количество моделей и их характеристик возрас­ тает, что позволяет учесть влияние второстепенных воз­ мущений. Затем производится физическая реализация разработанной принципиальной схемы ПСН, экспери­ ментальные данные испытаний которого сравниваются с выдвинутыми требованиями.

86

В процессе проектирования ПСН все уточнения и изменения необходимо осуществлять непрерывно на всех этапах от постановки проблемы до измерения резуль­ тата. С течением времени проектирования достигается все большая определенность в наших знаниях о проек­ тируемом ПСН и о том, что предстоит сделать. Вследст­ вие этого увеличивается число путей, по которым можно производить изменения, используя информацию о рас­ хождениях между целями и достигнутым состоянием.

Взаимосвязь между различными этапами проектиро­ вания представлена на рис. 25 в виде структурной схемы, где требования и цели разработки ПСН изображены в виде входа, а реализованный ПСН_— в форме выхода. Требования и цели играют роль входных сигналов как для формулировки задания, так и для сравнения результатов. В блоке формулировки задания (/) произ­ водится формулировка общетехнических требований (/), формулировка специальных технических требований (2) и предварительный анализ предполагаемых возмуще­ ний (3). Выработанные конкретные требования из блока формулировки подаются на вход блока синтеза. Про­ цесс синтеза ПСН развивается по двум направлениям: сбор и анализ информации (II) и выбор структурной схемы (6) основного контура ПСН, причем анализ ин­ формации проводится раздельно с позиций оценки со­ ставляющих погрешности (4) имеющихся ПСН и с по­ зиций схемных реализаций (5). Далее производят усред­ нение весовых соотношений составляющих погрешно­ стей (7) анализируемых ПСН. Эти усредненные данные и подробный количественный анализ действующих воз­ мущений (8) используются для определения допустимых составляющих погрешности (9) проектируемого ПСН. Синтез заканчивается выбором альтернативных струк­ турных схем (10) и разработкой соответствующих прин­ ципиальных схем (11). Синтезированные характеристики ПСН являются сигналами обратной связи на блок фор­ мулировки и дают возможность оценить, являются ли

к ПСН. Основываясь на результатах синтеза, присту­ пают к конструированию и физической реализации ПСН. Действительные, экспериментальные характеристики

87

со

Синтезированные характеристики

Ошибки при формулировке

тики

Рис. 25. Связь между различными этапами проектирования ПСИ

ПСН, измеренные в процессе испытаний, также являются сигналом обратной связи в блок синтеза и используются для определения того, удовлетворяют ли они специаль­ ным требованиям ПСН; если нет, то может потребоваться дополнительный синтез ПСН. Экспериментальные ха­ рактеристики также сравниваются с требованиями и целями разработки, и несоответствия в формулировке задания, вскрытые при этом, выступают в роли допол­ нительного сигнала на входе блока формулировки.

Таким образом, видно, что процесс проектирования ПСН является задачей последовательного приближе­ ния. По предварительно выработанным требованиям разрабатывается несколько возможных вариантов; наи­ более удачные отбираются для последующего рассмот­ рения и реализации. По синтезируемым схемам прово­ дится коррекция как технических требований, так и самих схем. Скорректированная схема ПСН вновь оце­ нивается и вновь совершенствуется до тех пор, пока не будут удовлетворены поставленные задачи.

15. ПСН ДЛЯ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Использование ПСН в цифроаналоговых преобразо­ вателях, обеспечивающих десять или более разрядов, позволяет существенно упростить преобразователи и повысить их точность.

На рис. 26 приведена принципиальная схема ПСН, используемого для питания преобразователей напряже­ ния в код. Стабилизатор имеет следующие технические характеристики:

Стабилизатор обеспечивает интегральную нестабиль­ ность при изменении входного напряжения на + 10%, изменении нагрузки на 100% в диапазоне температур + 60° С и за время 1000 ч не более 0,1%.

89