1.2.10. Пример расчета интегрального стабилизатора напряжения последовательного типа

Пусть требуется рассчитать стабилизатор напряжения на ос­нове микросхемы К142ЕН1 с выходным напряжением U₀ = 8 В (нестабильность U₀ не более 5 %) и током нагрузки I₀ = 1,4 А. На­пряжение первичной сети имеет нестабильность +10 и 15%, вы­ходное сопротивление R_вых  0,05 Ом.

Данные микросхемы К142ЕН1: U_вых = (312) В; E_вх > U_вых + 3 В; I_max = 0,15 А; E_оп  1,5 В; нестабильность по входному напряжению 0,5% В, нестабильность по току нагрузки 0,5% А. Мощность, рас­сеиваемая микросхемой при t = 25 °С, составляет не более 2 Вт с теплоотводом и 0,8 Вт без теплоотвода.

В умощненном стабилизаторе на выходе микросхемы необ­ходимо иметь выходное напряжение большее, чем на нагрузке на U_БЭ. Примем U_БЭ = 0,7 В. Тогда будем рассчитывать микросхему на вы­ходное напряжение U_вых = 8 + 0,7 = 8,7 В. При таком выходном на­пряжении нестабильность стабилизатора, построенного на одной микросхеме, по выходному напряжению

k_E = U_вых  5% = 8,7  0,005 = 0,043,

выходное сопро­тивление (нестабильность по току нагрузки)

R_{вых. мс} = 8,7  0,005 = = 0,043 Ом.

По выражениям (1.2.41)-(1.2.42) найдем коэффициент усиле­ния микросхемы и сопротивление ее силовой цепи:

1 + kN₁N₀ = 1 / k_E = 1 / 0,043 = 23,3

R = R_{вых. мс} (1 + kN₁N₀) = 0,043  23,2  1 Ом.

Выберем внешний транзистор с учетом того, что напряжение U_КЭ > E_вх = (8,7 + 3)1,1/0,85 = 15,1 В; ток коллектора I_K max > 1,4 A, коэффициент усиления по току h_21Э > I_н / I_мс = 1,4/0,15 = 9,3. Этим требованиям удовлетворяет транзистор КТ815А, у которого I_K max = 1,5 А; U_КЭ = 25 В; h_21Э = 20; U_кн = 0,6 В; Р_к = 10 Вт при t = 25 °С; t_п max = 150 °С, R_тпк = 10 °С/Вт. Его Y-параметры имеют значения g₁₁ = 0,1 См; S = 2 См; g_КЭ = 0,02 См.

Для выбранного силового транзистора дифференциальные показатели стабилизатора имеют следующие значения [см. (1.2.47)]:

k_E = [1 + 20  10^3 (1 + 1  0,1) / (2 + 0,1)] / 23,25 = 0,043;

R_вых = (0,5 + 1/20) / 23,25 = 0,024 Ом.

Таким образом, подсоединение внешнего транзистора прак­тически не изменило нестабильность выходного напряжения по входному и примерно вдвое снизило выходное сопротивление ста­билизатора.

Полученные данные удовлетворяют заданию. Переходим к расчету электрических и тепловых режимов транзисторов. Определим показатели стабилизатора, собранного по наиболее простой схеме, в которой источник Е является общим для микро­схемы и силового внешнего транзистора (рис. 1.37, а).

Согласно заданию, напряжение на выходе микросхемы равно 8,0 В. Для нормальной работы микросхемы ее напряжение питания должно быть не менее 8,7 + 3 = 11,7 В. Это и есть мини­мальное выходное напряжение выпрямителя U_1 min, питающего ста­билизатор. Среднее и максимальное значения этого напряжения соответственно

U_1ср = 11,7/(1  0,15) = 13,8 В и U_1 max = U_ср (1 + 0,1) = 13,81,1 = 15,1 В.

а

б

Рис. 1.37. Схема интегрального компенсационного стабилизатора

с внешним силовым элементом

Оценим выходное сопротивление выпрямителя как R_вых = U_1ср  0,1 = 1,4 Ом. Максимальное и минимальное значения ЭДС выпрямителя соответственно E_1 max = U_1 max + I_нR_вых = 17,1 B; E_1 min = U_1 min + I_нR_вых = 13,7 В. Найденные значения определяют границы рабочей области на характеристиках транзистора (область 1 на рис. 1.38).

Рис. 1.38. Выходные характеристики транзистора КТ815А

Максимальная мощность, выделяемая в транзисторе при U_1 max и I_н max, P_К = U_КЭI_н = (15,1  8) 1,4 = 9,94  10 Вт.

Оценивая полученные результаты, отметим, что левая часть рабочей области расположена значительно правее линии U_КЭ min, что и привело к значительной мощности, рассеиваемой силовым транзистором, и соответственно к снижению КПД силовой цепи, который при максимальных токе и напряжении составит

 = U₀I_н / (U_1 max I_н) = 8/15,1 = 0,53.

Улучшить КПД стабилизатора можно, применив отдельный дополнительный источник для питания микросхемы (E₂ на рис. 1.37, б). В таком стабилизаторе минимальное напряжение U_1 min можно выбрать равным U₀ + U_КЭ min = 8 + 0,6 = 8,6 В. Аналогично получим U_1ср = 10,1 В; U_1 max = 11,1 В; P_K max = 4,4 Вт; R_вых = 1 Ом; E_1 min = 9,6 В; E_1 max = 12,1 В. Рабочая область на характеристиках транзистора расположится заметно левее (область 2 на рис. 1.38). КПД силовой цепи при максимальном входном напряжении под­нимется до  = 8/11,1 = 0,72.

Проведем тепловой расчет стабилизатора с лучшим КПД. Пусть температура в блоке, где размещен стабилизатор, поднима­ется до 60 °С. Тогда общее тепловое сопротивление переход-среда R_тпс должно быть не более (150  60) / 4,4 = 20,5 °С/Вт. Учтем только основной путь передачи теплоты в среду  от перехода транзистора к корпусу, с него на теплоотвод и с теплоогвода в среду. Таким образом, цепь теплопередачи содержит три тепловых сопротивления: переход-корпус, корпус-теплоотвод и теплоотвод-среда. При сопротивлении R_ткр = 1 °С/Вт сопротивление теплоот­вода R_трс < R_тпс  R_тпк  R_ткр = 20,5  1  10 = 9,5 °С/Вт. Для обеспе­чения такого теплового сопротивления R_трс = 1 / (k_тS), где k_т – коэф­фициент теплоотдачи, радиатор должен иметь площадь S_р = 1/(k_т R_трс) = = 1 / (0,8  10^3  9,5) = 131,6 см².

Температура корпуса микросхемы в улучшенном варианте получается меньше допустимой, так как мощность, рассеиваемая в ней, P_мс = (E_2 max  U₀) I_н / h_21Э + Е_2 max I_п = (12,1 + 3  8,7)  1,4/20 + + (12,1 + 3)  0,004 = 0,508 Вт, где первый член определяет мощ­ность, выделяющуюся в силовых транзисторах микросхемы, вто­рой  мощность, потребляемую остальными компонентами микро­схемы. Ток потребления остальных каскадов микросхемы I_н = 0,004 А. Так как Р_мс = 0,508 < 0,8 Вт, то возможна установка микросхемы стабилизатора без специального теплоотвода.