Компаратор в стабилизаторе тока

Полезные статьи, радиосхемы, конструкции, разработки, рабочие и готовые к повторению

Стабилизатор напряжения с ШИМ на 5 вольт на компараторе

Характерная особенность большинства импульсных стабилизаторов — непостоянство частоты переключения ключевого элемента при изменении напря-жения источника питания и тока на-грузки. В некоторых случаях у этих стабилизаторов частота переключения может увеличиваться до 60. 80 кГц, что ведет за собой падение КПД блока, перегревание его элементов.

В импульсных стабилизаторах с ши-ротно-импульсной модуляцией (ШИМ) эта частота постоянна, а изменяется лишь соотношение между длительностями открытого и закрытого состояний регулирующего транзистора. Они могут быть относительно простыми, допускают использование дешевых низкочастотных транзисторов, в некоторых случаях позволяют облегчить борьбу с помехами. Поэтому предпочтение нередко отдают простым ключевым стабилизаторам с ШИМ, несмотря на их сравнительно невысокий коэффициент стабилизации выходного напряжения.

Основой описываемого стабилизатора напряжения постоянного тока с ШИМ (см. схему) служит компаратор DA1 с открытым коллекторным выходом, что позволяет соединять его непосредственно с базой мощного составного транзистора VT3VT4, работающего в ключевом режиме. На инвертирующий вход компаратора (вывод 4) подают образцовое пилообразное напряжение с переменного резистора R4, а на неинвертирующий поступает часть выходного напряжения.

Основные технические характеристики стабилизатора приведены в колонке помешенной здесь таблицы.

Генератор пилообразного напряжения выполнен на однопереходном транзисторе VT2, конденсаторе С2 и резисторах R2, R3. Стабилизированное напряжение 16.5. 17 В, питающее генератор, снимается с последовательно соединенных стабилитронов VD1, VD2. Ток через них стабилизирован полевым транзистором VT1

Конденсатор СЗ служит для устранения паразитной генерации в цепи управления ключевым транзистором. Дроссели LI, L3 и конденсаторы CI, С4, С5 соответственно образуют входной и выходной фильтры устройства. Дроссель L2 — накопитель магнитной энергии.

Стабилизатор напряжения работает следующим образом. Пилообразное образцовое напряжение компаратор сравнивает с частью выходного напряжения, снимаемого с делителя R8R9. Пока выходное напряжение больше образцового, ключевой транзистор закрыт. Как только пилообразное напряжение превысит выходное, сигнал компаратора откроет этот транзистор. Чем меньше напряжение на выходе стабилизатора, тем дольше транзистор будет открыт.

После спада пилообразного напряжения транзистор закрывается и цепь дроссель L2 — нагрузка замыкается через открывшийся в этот момент мощный диод VD3. Как только ключевой транзистор откроется, сразу же закроется диод VD3. Входной фильтр ослабляет проникновение импульсных помех в питающую электросеть, выходной — в нагрузку.

В стабилизаторе можно использовать компаратор К554САЗА, К554САЗБ или K52ICA3 (но у него цоколевка иная). Транзистор КТ908А можно заменить любым другим мощным высокочастотным кремниевым п-р-п транзистором или мощным низкочастотным из серий КТ805, КТ808, КТ819. Но при использовании низкочастотного транзистора тепловые потери в нем увеличатся (при токе не более 1 А выходной транзистор может работать без теплоотвода). Транзистор VT3 — любой из серии КТ814. Диод КД213А можно заменить любым другим этой серии или использовать вместо него коллекторный переход мощного высокочастотного транзистора.

Дроссели L1 и L3 намотаны на отрезках стержня диаметром 8, длиной 20 мм из феррита 600НН и содержат по 10 витков медного изолированного провода сечением 1,2 мм2. Магнитопровод дросселя L2 — броневой Б26 из феррита 2000НМ; между его чашками делают прокладку толщиной 0,2 мм из немагнитного материала. Обмотка, содержащая 20 витков, выполнена жгутом из пяти проводников ПЭВ-2 0,25.

Проверку устройства начинают с измерения напряжения на стабилитронах VDI, VD2. К эмиттеру однопереходного транзистора подключают осциллограф и. присоединяя параллельно конденсатору С2 другие конденсаторы разной емкости, по изменению частоты убеждаются в работоспособности генератора пилообразного напряжения. Затем к устройству подключают эквивалент нагрузки и резистором R4 устанавливают необходимое выходное напряжение. Далее осциллограф подключают к диоду VD3 и наблюдают прямоугольные импульсы. Форму импульсов можно улучшить подбором резистора R6 и зазора в броневом магнитолроводе дросселя L2.

Описанный стабилизатор напряжения с широтно-импульсной модуляцией можно превратить в обычный импульсный. Для этого напряжение, снимаемое со стабилитронов VDI, VD2 (теперь оно будет образцовым), надо подавать непосредственно на переменный резистор R4. Стабильность выходного напряжения такого устройства улучшится (потому что будет исключен генератор, стабильность которого невысока>, однако его КПД снизится на 1. 3% из-за возрастания динамических потерь в транзисторе VT4. Характеристики такого варианта стабилизатора отражены в колонке II таблицы. Его же можно использовать и для получения более высоких напряжений па выходе, например, 12 и 15 В. при том же входном (см. колонки 111 и IV таблицы).

Стабилизатор напряжения допускает большие токи нагрузки, например 3 А, при UBх=24 В, и U выч=5 В. кпд=71 %. амплитуда пульсаций 70 мВ. Но в этом случае диод VD3 и транзистор VT4 необходимо установить на теплоотводы. Если входное напряжение колеблется в пределах 10. 19 В. то у пятивольтового стабилизатора образцовое напряжение надо снизить до 8. 8,5 В (например, исключив один из стабилитронов). КПД такого стабилизатора напряжения около 80 %, амплитуда пульсаций менее 20 мВ при токе нагрузки 2 А.

По материалам журнала радио 1986 г март месяц.

Компаратор в стабилизаторе тока

Общие сведения

Компаратор (лат. comparare — сравнивать) — сравнивающее устройство — логический электронный прибор с двумя входами и одним выходом. Компаратор выдает высокое напряжение (логическая 1) в случае, если напряжение на первом (прямом) входе выше, чем на втором (инвертирующем) и низкое выходное напряжение (логический 0) если напряжение первого входа ниже вольтажа второго.

Одно из напряжений (сигналов), подаваемое на один из входов компаратора обычно называют опорным или пороговым напряжением. Пороговое напряжение делит весь диапазон входных напряжений, подаваемых на другой вход компаратора на два поддиапазона. Состояние выхода компаратора, высокое или низкое, указывает, в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение. Существуют компараторы с двумя или несколькими пороговыми напряжениями.

Способ реализации компаратора — операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления. Если подать на один его вход (например инверсный) какой то постоянный уровень опорного напряжения, а на другой вход (прямой) изменяющийся сигнал — выходное напряжение у него изменится скачком, от минимального до максимального в тот момент, когда уровень входного сигнала превысит уровень сигнала опорного напряжения, установленного на другом входе, и наоборот.

Таким образом, если входное напряжение на прямом входе, превысит напряжение инверсного входа, выходной транзистор компаратора открывается, если станет ниже — закрывается. То есть компаратор сравнивает напряжения.

Применение компараторов

Основное назначение компараторов — оцифровка аналоговых сигналов. С помощью компараторов осуществляется связь между непрерывными сигналами, например, напряжения и логическими переменными цифровых устройств. Применяются в различных электронных устройствах, АЦП и ЦАП, устройствах сигнализации, допускового контроля

На компараторах можно собирать различные устройства, такие как терморегуляторы, стабилизаторы, различные устройства автоматики — используя для изменения входного сигнала различные датчики, такие как, терморезисторы, фоторезисторы, индикаторы влажности и т.д.

Выходные каскады компараторов рассчитаны таким образом, чтобы их выходное напряжение соответствовало бы входному логическому уровню многих цифровых микросхем, поэтому их ещё могут называть формирователями.

Схемы практической реализации устройств на основе компараторов

В качестве примера возмем распространённый компаратор К554СА3, (зарубежные аналоги LM-111, LM-211, LM-311).

На выходе этого компаратора включен транзистор с открытыми коллектором и эмиттером, и в зависимости от необходимого результата на выходе, его можно подключать по схеме с общим эмиттером или эмиттерным повторителем.

Схема включения компаратора для одно-полярного питания изображена на рисунке 1, для двух-полярного питания на рисунке 2.

Рисунок 1.

Схема включения компаратора в одно-полярное питание.
а — с общим эмиттером; б — эмиттерным повторителем.
Напряжение питания +5 вольт указано для уровня логики ТТЛ микросхем.

Для согласования выхода с логическими уровнями КМОП микросхем, напряжение питания соответственно может быть 9-15 вольт.

Рисунок 2.
Схема включения компаратора в двух-полярное питание.
а — с общим эмиттером; б — эмиттерным повторителем.

В качестве нагрузки компаратора можно использовать любую нагрузку с током потребления не более 50 мА. Это могут быть непосредственно обмотки реле, резисторы, светодиоды индикации и оптронов исполнительных устройств, с ограничивающими ток резисторами. Индуктивные нагрузки желательно шунтировать диодами от обратного выброса напряжения.
Напряжение питания компаратора может быть 5 — 36 вольт одно-полярного (или сумма двух-полярного) напряжения.

Процессы переключения компараторов

Если входной сигнал будет изменяться очень медленно, то при достижении уровня входного сигнала опорному, выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием незначительных помех (так называемый «дребезг»).
Для устранения этого явления в схему компаратора вводят положительную обратную связь (ПОС), которая обеспечивает характеристике компаратора небольшой гистерезис, то есть небольшую разницу между входными напряжениями включения и отключения компаратора. Некоторые типы компараторов уже имеют встроенную, упомянутую выше ПОС.
Её можно так же ввести в схему компаратора при необходимости, например, как изображено на рисунке ниже.

Рисунок 3.
Схема включения в компаратор ПОС (гистерезиса).

На рисунке 3 приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 3б).
Пороговые напряжения для этой схемы определяются по формулам;

Хотя гистерезис вносит небольшую задержку в переключении компаратора, но благодаря ему, существенно уменьшается или даже устраняется полностью «дребезг» выходного напряжения.

Компаратор в стабилизаторе тока

Стабилизатор переменного напряжения для сети 220 вольт.

Данная схема предназначена для поддержания напряжения питания аппаратуры в пределах 200-230 вольт, при изменении входного от 180 до 255 и потребляемой мощности до 1 кВт. Общая схема устройства представлена на рисунке 1.

Принцип работы стабилизатора заключается в коммутации обмоток автотрансформатора, в качестве которого используется трансформатор ТН 61, с помощью 6 симисторов VD 1 — VD 3-2, которые переключаются двумя схемами управления и позволяют получить 4 ступени регулировки: +24, +12, -12, -24 вольта. Мощность стабилизатора определяется максимальным током применяемых симисторов и вторичных обмоток автотрансформатора, в данном случае мощность ограничена максимальным током симисторов КУ208Г — 5 А (около 1 кВт), при их замене более мощными можно получить до 8А (ток вторичных обмоток трансформатора ТН61). Схема управления представлена на рисунке 2.

Обе схемы управления идентичны и отличаются лишь порогами срабатывания компараторов. Питание схемы осуществляется от отдельного трансформатора (ТН 4) переменным напряжением 6,3 вольта, которое выпрямляется диодами D1, D2 и кроме того подается на компаратор IC1, выполненный на микросхеме К140УД6, который совместно с IC4 вырабатывает отрицательные импульсы длительностью 2-3 миллисекунды, необходимые для синхронизации момента коммутации симисторов с моментом перехода сетевого напряжения через 0. Это необходимо для исключения возможности одновременного включения симисторов и возникающих при этом импульсов тока. Выпрямленное напряжение через делители R13, R15 и R14, R16 подается на инвертирующие входы компараторов, выполненных на IC2 и IC3, на вторые входы которых подается напряжение с параметрического стабилизатора на элементах D5, D6, R8. По мере уменьшения сетевого напряжения, уменьшается напряжение на инвертирующих входах компараторов и на выходе IC2, а потом и IC3 появляется положительное напряжение, которое подается на входы дешифратора IC5 К561ИД1. Входной код дешифратора может принимать 3 значения: 00, 10, 11, в соответствии с этим на одном из его выходов 0, 2 или 3 появляется логическая единица, которая через стробируемый повторитель, выполненный на 6 инверторах микросхемы IC6 К561ЛН1 и управляемый импульсами с 9 вывода IC4, подается на один из транзисторных ключей, управляющих работой симисторов. Симисторы открываются отрицательными импульсами, длительностью 2-3 миллисекунды, подаваемыми на управляющие электроды каждый полупериод сетевого напряжения относительно их катодов через транзисторы Т1 – Т3. Резисторы R23, R24, R25 ограничивают ток управления величиной 100 – 120 мА, R26 и R27 увеличивают гистерезис для более четкого срабатывания компараторов. Печатная плата схемы управления имеет размеры 10Х7 см и представлена на рисунках 3 и 4. Симисторы необходимо установить на радиаторы, площадью не менее 50 кв. см.

Налаживание стабилизатора заключается в установке порогов срабатывания компараторов: первая схема управления IC 2 – 230 В, IC 3 – 250В, вторая схема управления IC 2 – 190В, IC 3 -205В. Схема стабилизатора проверена практически и надежно работает в течение длительного времени.

Стабилизатор сетевого напряжения

Он предназначен для поддержания сетевого напряжения в заданных пределах и по своим функциям аналогичен устройству, схема которого была приведена на рис. 96. Данный стабилизатор, подобно вышеописанному и в отличие от феррорезонансных стабилизаторов, также не искажает форму напряжения и способен работать без нагрузки. Точность его несколько ниже, но зато он содержит силовой трансформатор меньших размеров, а подвижные элементы в конструкции отсутствуют. По сравнению с феррорезонансными стабилизаторами данное устройство имеет значительно меньшие массогабаритные показатели.

Схема стабилизатора представлена на рис. 139. Принцип действия устройства основан на включении последовательно с нагрузкой одной, двух или трех дополнительных обмоток трансформатора при отклонении сетевого напряжения от нормы. Если сетевое напряжение ниже необходимого, то дополнительные обмотки включаются синфазно с сетью, и напряжение на нагрузке становится больше сетевого; если же напряжение сети становится выше нормы, то обмотки включаются в противофазе с сетевым напряжением, приводя к уменьшению напряжения на нагрузке. Роль такого трансформатора выполняет Т1, а дополнительных обмоток — обмотки IV, V, VI.

На интегральных микросхемах DA3 — DA8 выполнены компараторы напряжения, которые срабатывают при отклонении сете-

вого напряжения от нормы. На инвертирующие входы компараторов поданы эталонные напряжения, снимаемые со стабилитрона VD3 и с резисторов R5 — R 10 делителя напряжения. На неинвертирующие входы компараторов через резисторы R 11 — R 16 поступает напряжение, по величине пропорциональное сетевому и снимаемое с движка подстроечного резистора R2. Датчиком напряжения сети является обмотка III трансформатора Т1, напряжение на которой (примерно 10 В) изменяется пропорционально сетевому. Оно выпрямляется диодным мостом VD2. пульсации сглаживаются П-образным RC-фильтром C4R1C5. Постоянная времени фильтра выбрана равной 1. 2 с, что исключает срабаты-

вание компараторов от действия кратковременных всплесков напряжения.

Компараторы DA3 — DA8 настроены на срабатывание от уровней сетевого напряжения 250 В, 240 В, 230 В, 210 В, 200 В и 190 В соответственно. Если напряжение сети превышает указанные уровни, то на выходах (вывод 9) тех компараторов, для которых выполняется указанное условие, действует напряжение высокого логического уровня (уровня логической 1) — около 12В. Таким образом, разница уровней срабатывания компараторов составляет 10 В, или примерно 5 % сетевого напряжения. Уровни срабатывания компараторов DA5 и DA6 отличаются на 20 В. Это соответствует зоне регулирования 220 В±5%. Следует заметить, что государственными стандартами установлено допустимое сетевое напряжение 220 В +10%-15% (от 187 В до 242 В). Данный же стабилизатор, как видно, обеспечивает более высокую точность поддержания величины сетевого напряжения.

Все компараторы охвачены положительной обратной связью через резисторы R17 — R22. Это сделано для обеспечения небольшого гистерезиса (разницы между напряжениями срабатывания каждого компаратора при увеличении и уменьшении сетевого напряжения). Величина гистерезиса определяется соотношением номиналов резисторов R17 и R 11 для микросхемы DA3 и аналогичных пар резисторов для других компараторов. Эти резисторы подобраны таким образом, чтобы разница между напряжениями срабатывания и отпускания компараторов составляла 1,5. 2 В. Если исключить положительную обратную связь, т.е. сделать нулевой гистерезис, то небольшие колебания сетевого напряжения (вызванные, например, включением и отключением бытовых приборов, а также иными помехами), будут приводить к частому срабатыванию компараторов и, соответственно, повышенному износу контактов электромагнитных реле, а также к дополнительным помехам в сети.

Таким образом, точность поддержания напряжения на нагрузке определяется разницей напряжения срабатывания разных компараторов и величиной гистерезиса и составляет около 12В.

Работа компараторов и электромагнитных реле при различных значениях напряжения сети иллюстрируется таблицей 4.

Из таблицы видно, что при изменении сетевого напряжения от 170 В до 270 В, т.е. на 23%, напряжение на нагрузке изменяется от 200 В до 240 В, т.е. всего лишь на 9%.

Несколько слов о других схемных решениях стабилизатора. Эталонное напряжение на инвертирующие входы компараторов подается с параметрического стабилизатора R4VD3, который, в свою очередь, питается от интегрального стабилизатора напряжения, выполненного на микросхеме DA2 (выходное напряжение +12 В). Стабилитроны серии Д818 обладают весьма малым температурным коэффициентом напряжения, что обеспечивает высокую точность поддержания эталонного напряжения в широком диапазоне температур. Этому же способствует и питание параметрического стабилизатора от стабилизированного источника напряжения. Питание обмоток реле К1 — К5 осуществляется от интегрального стабилизатора +12 В (микросхема DA1). Необходимость в отдельном стабилизаторе для питания реле вызвана тем, что следует максимально исключить взаимное влияние цепей питания компараторов, источника эталонного напряжения и цепей питания реле; в противном случае срабатывание реле и вызванное

этим изменение тока может привести к ложным срабатываниям компараторов.

Напряжение, пропорциональное сетевому, снимается с отдельной обмотки трансформатора Т1 (обмотка III). хотя его можно было бы снимать с обмотки II трансформатора. Необходимость использования отдельной обмотки объясняется желанием исключить влияние изменений тока. вызванных срабатыванием реле, на величину напряжения, которое с обмотки трансформатора после выпрямления поступает на неинвертирующие входы компараторов.

Логика работы компараторов DА- — DA8 и логических элементов микросхем DD1. DD2, а также работы электромагнитных реле К1 — К5 видна из таблицы 4 и потому в дополнительных разъяснениях не нуждается.

В устройстве можно в качестве компараторов использовать, помимо указанных на схеме, микросхемы К1401СА1 (каждая из них содержит четыре компаратора напряжения): интегральные стабилизаторы КР142ЕН8Б можно заменить 15-вольтовыми (с индексом «В»). В качестве диодных мостов VD1. VD2 можно также использовать приборы типов КЦ402 — КЦ405. КЦ409. КЦ410. КЦ412 с любыми буквенными индексами. Диоды VD4 — VD7, шунтирующие обмотки реле. могут быть любого типа с допустимым обратным напряжением более 15 В и прямым током более 100 мА. Оксидные конденсаторы — К50-16. К50-29 или К50-35; остальные- КМ-6. К10-17. К73-17. Все постоянные резисторы МЛТ, С2-23, С 1-12; подстроечные R2 и RIO — многооборотные СП5-2 или СП5-14. Резисторы R5 — R9 должны иметь допустимое отклонение сопротивлений от номинальных не хуже 1%; если же нет возможности найти резисторы с таким классом точности, их следует подобрать из группы резисторов указанного номинала, используя цифровой омметр. Реле К1 — К5 — зарубежного производства Bestar BS-902CS. Реле этого типономинала имеют обмотку сопротивлением 150 Ом, рассчитанную на рабочее напряжение 12 В, и контактную группу переключающего типа. рассчитанную на коммутацию напряжения 240 В при токе 15 А. Выключатель Q1 — тумблер типа ТВ 1-4, у которого все четыре пары контактов соединены параллельно. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ50х40. Обмотка I намотана проводом ПЭВ-2 0,9 и содержит 300 витков; обмотка II -21 виток провода ПЭВ-2 0,45;

обмотка III — 14 витков провода ПЭВ-2 0.45: обмотки IV, V. VI содержат по 14 витков провода ПБД 2.64. Удобно использовать стандартный трансформатор типа ОСМ1-0.63. у которого все обмотки, кроме первичной (она содержит 300 витков), удалены, а вторичные обмотки намотаны в соответствии с приведенными выше данными. При изготовлении трансформатора одноименные выводы обмоток I, IV, V, VI следует пометить (на схеме обозначены точками). Номинальная мощность такого трансформатора составляет 630 Вт.

Все элементы стабилизатора напряжения, кроме трансформатора Т1 и тумблера Q1, смонтированы на плате из стеклотекстолита. В авторском экземпляре монтаж выполнен проводами, хотя можно разработать и печатную плату. Микросхемы DA1 и DA2 установлены на радиаторах площадью соответственно около 100 см^2 и 30 см^2

Настройка стабилизатора состоит в установлении величины номинального напряжения на нагрузке, равного 220 В, и в подборке порогов срабатывания компараторов DA3 — DA8 равными 250 В, 240 В. 230 В, 210 В, 200 В и 190 В соответственно. Для настройки понадобятся два вольтметра, измеряющих переменное напряжение в диапазоне 300 В, и лабораторный автотрансформатор, напряжение на выходе которого можно изменять от 170 В до 270 В. Для индикации состояний компараторов желательно к каждому из них подключить последовательно соединенные резистор сопротивлением 10. 15 кОм и светодиод серии АЛ307 так, чтобы аноды диодов были соединены с выводами 9 микросхем компараторов. а свободные выводы резисторов — с общим проводом (т.е. так, как это сделано в простейшем логическом пробнике на рис. 8 этой книги). Разумеется, можно обойтись и вольтметром постоянного тока. с помощью которого измерять напряжения на выходах компараторов, но это менее удобно. К выходу лабораторного автотрансформатора подключают стабилизатор напряжения и первый вольтметр; к гнездам «Нагрузка» стабилизатора подключают второй вольтметр. Движки подстроечных резистора R2 и R 10 устанавливают в крайнее правое по схеме положение, а на выходе автотрансформатора устанавливают напряжение 190 В. При этом на выходах всех компараторов должен быть низкий логический уровень (светодиоды не светятся, а при определении уровня напряжения вольтметром постоянного тока он должен показывать не

более 1 В. Перемещая движок подстроечного резистора R2, добиваются срабатывания компаратора DA8, на выходе которого устанавливается напряжение высокого логического уровня (около 10. 12 В). -атем, плавно увеличивая напряжение автотрансформатором до 250 В, добиваются срабатывания компаратора DA3, при этом наблюдают по загоранию светодиодов последовательное срабатывание компараторов DA7, DA6, DA5, DA4. В случае необходимости порог срабатывания этого компаратора подбирают регулировкой подстроечного резистора R10. После установки пределов срабатывания компараторов DA8 и DA3 проверяют пороги срабатывания остальных компараторов, которые должны быть равны указанным выше значениям. При необходимости всю настройку можно повторить.

К стабилизатору напряжения может быть подключена нагрузка мощностью до 3 кВт. Если точность поддержания выходного напряжения может быть ниже указанной, число вторичных обмоток трансформатора Т2 можно снизить до двух, а их напряжения увеличить с 10 В до 15 В. При этом, соответственно, число компараторов также уменьшится, а пороги их срабатывания следует установить соответственно напряжениям вторичных обмоток Т2.

Нельзя не сказать о возможности применения полупроводниковых ключей для коммутации вторичных обмоток трансформатора Т1 взамен контактов электромагнитных реле К1 — К5. Действительно, контакты электромагнитных реле имеют ограниченный срок службы, вызванный их износом, который тем больше, чем больше число срабатываний и чем больше коммутируемые токи. В этом смысле применение полупроводниковых элементов предпочтительнее. В данном случае можно применить симисторы. Однако следует заметить, что одна группа переключающих контактов реле может быть заменена двумя симисторами, т.е. в данном устройстве потребуется применить 10 симисторов. Кроме того, необходимо будет принять специальные меры, чтобы симисторы одной группы контактов не оказались одновременно в открытом состоянии — при этом будет замыкание вторичной обмотки трансформатора Т2 и выход из строя симисторов. Такая ситуация объясняется тем, что симистор после снятия напряжения с управляющего электрода не может закрыться раньше окончания полупериода сетевого напряжения, который составляет 10 мс. В

то же время другой симистор из этой пары откроется практически сразу после подачи на управляющий электрод управляющего напряжения, что может произойти в любой момент полупериода. Чтобы исключить одновременное открытое состояние двух симисторов, следует принять специальные меры — например, производить подачу и снятие напряжений с управляющих электродов симисторов только в начале полупериода. Это существенно усложнит схему управления. Кроме того, такой алгоритм коммутации не устранит полностью сквозные токи, поскольку симисторы коммутируют индуктивную нагрузку (трансформатор), способную накапливать электромагнитную энергию. Следовательно, для полного устранения сквозных токов алгоритм управления симисторами должен быть еще более сложным. Скорее всего, форма сетевого напряжения при этом будет значительно искажаться в моменты переключения ключей.

С учетом вышесказанного конструктору следует принять решение о предпочтительности использования электромагнитных реле или симисторов. Авторский экземпляр стабилизатора, выполненный по приведенной выше схеме, надежно работает уже более 1 года и питает нагрузку мощностью до 3 кВт.

Низкопотребляющие компоненты Holtek для управления питанием

Компактные и легкие мобильные электронные устройства завоевывают все больше места в окружающем нас мире. Но малые размеры и вес даются не просто — приходится экономить буквально на всем. Одной из важнейших составляющих минимизации является снижение энергопотребления, что позволяет использовать источники питания меньших габаритов и массы. Компоненты управления питанием фирмы Holtek с низким собственным потреблением позволяют разработчикам решать эту задачу.

Поскольку рассматриваемые компоненты хорошо известны и широко применяются, подробно описывать их структуру и принцип работы не будем, а уделим основное внимание характеристикам и применению. Первым в списке ИС управления питанием идет семейство детекторов напряжения НТ70ххА-1, собственный ток потребления составляет всего 4 мкА (да, микроампера — это не опечатка) типового значения, а максимальное не превышает 7 мкА. Эти трехвыводные детекторы выполнены по КМОП-технологии. Каждая ИС этой серии работает с определенным напряжением от 2,2 до 5 В (табл. 1), однако с помощью нескольких внешних элементов можно задать другое пороговое напряжение. Точный источник опорного напряжения с низким потреблением, компаратор, схема гистерезиса и выходной драйвер составляют НТ70ххА-1 (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема детектора напряжения серии НТ70ххА-1

Таблица 1. Основные характеристики детекторов напряжения серии НТ70ххА-1

Принцип работы НТ70ххА-1 достаточно прост. Источник опорного напряжения (ИОН) подключается к отрицательному входу компаратора (V_REF), а на вход (+) через делитель поступает контролируемое напряжение. Когда напряжение на положительном входе компаратора больше V_REF, то на выходе V_OUT устанавливается высокий уровень, транзистор М1 отключается и напряжение на входе компаратора V_B определяется как V_BН= V_DD6 (R_B + R_C)/(R_A + R_B + R_C). Если контролируемое напряжение V_DD снижается настолько, что V_B меньше V_REF, то выход компаратора переключается с высокого на низкий, V_OUT тоже становится низким, V_C — высоким, ключ М1 открывается и шунтирует R_C. В этом случае VB определяется как V_BL=V_{DD 6} x R_B/(R_A + R_B). Гистерезис позволяет избавиться от паразитной генерации при V_B примерно равна V_REF.

Если напряжение питания V_DD падает ниже минимального, то состояние выхода становится неопределенным.

Определяемое напряжение при уровне выше порогового определяется как

а ниже порогового— как

Гистерезис — V_HYS = V_DET (+) – V_DET (–) n-МОП выход — не единственный вариант исполнения: есть другие типы активных выходов с высоким уровнем.

Спектр применений детекторов напряжения — от схем сброса до контроля заряда аккумулятора (рис. 2–5).

Рис. 2. Схема сброса для микроконтроллера с раздельными источниками питания (а) и с одним (б)

Рис. 3. Схема сброса по питанию и диаграммы работы детектора напряжения НТ70ххА-1

Рис. 4. Схема контроля напряжения питания с индикацией на основе детектора напряжения НТ70ххА-1

Рис. 5. Схема контроля заряда аккумулятора на основе детектора напряжения НТ70ххА-1. При превышении напряжения аккумулятора установленного порога транзистор открывается и шунтирует ток заряда, защищая таким образом аккумулятор от перезаряда

Следующим узлом, где можно существенно снизить потребление, является стабилизатор напряжения, который обычно вносит весомый вклад в паразитные потери энергии (собственное потребление). Holtek решила эту проблему выпуском стабилизаторов напряжения серии HT71хх-1 в трехвыводном корпусе. Входное напряжение всех стабилизаторов этой серии равно 24 В — высокий показатель (при напряжении питания от 3 до 5 В), стабилизированное выходное напряжение находится в диапазоне от 3 до 5 В, а максимальный ток составляет 30 мА (см. табл. 2). Применение КМОП-технологии позволило получить низкое падение напряжения на стабилизаторе и ток покоя 3 мкА (максимальное значение не более 6 мкА). Хотя эта серия разрабатывалась под конкретные напряжения, но при подключении нескольких внешних элементов получится стабилизатор напряжения с требуемым напряжением. Варианты применения НТ71хх-1 приведены на рис. 6–8.

Рис. 6. Стабилизатор напряжения с повышенной нагрузочной способностью и защитой от короткого замыкания на базе ИС серии НТ70ххА-1

Рис. 7. Стабилизатор тока на базе ИС серии НТ70ххА-1

Рис. 8. Стабилизатор на два напряжения на базе ИС серии НТ70ххА-1

Таблица 2. Основные характеристики стабилизаторов напряжения серии НТ71ххА-1

Если выходной ток недостаточен, то можно использовать стабилизаторы HT75хх-1, которые аналогичны HT71хх-1, но на выходе выдают ток до 100 мА.

Стабилизаторы серии HT73хх расширяют диапазон стабилизируемых напряжений от 1,8 до 5 В, а максимальный выходной ток составляет 250 мА (табл. 3). Но за это приходится расплачиваться снижением максимального входного напряжения до 12 В. Собственный ток потребления остается на уровне 4 мкА.

Таблица 3. Основные характеристики стабилизаторов напряжения серии НТ73хх

Завершая обзор компонентов Holtek с микропотреблением, остановимся на преобразователе напряжения на переключаемых конденсаторах НТ7660, у которого собственный ток потребления составляет 80 мкА (многовато по сравнению со стабилизаторами напряжения НТ7ххх, но это плата за функциональность). Основное назначение этой ИС — преобразование положительного напряжения в отрицательное (питание RS-232 и динамической памяти, удвоители напряжения и т. д.), для чего требуется всего два электролитических конденсатора. В состав преобразователя входят стабилизатор напряжения, RC-генератор и четыре мощных МОП-ключа (структурная схема приведена на рис. 9). Частота RC-генератора может быть снижена установкой внешнего конденсатора между выводами V_DD и OSC или же подключением внешнего тактового генератора к выводу OSC. Возможна блокировка внутреннего стабилизатора напряжения заземлением (вывод V_SS) вывода LV, что позволяет работать при меньших напряжениях.

Рис. 9. Структурная схема преобразователя напряжения НТ7660

Как уже упоминалось, в состав НТ7660 входят четыре мощных ключа S1, S2, S3 и S4 (схема рабочего режима — на рис. 10). В течение первого полупериода открыты ключи S2 и S4, а конденсатор С1 заряжается до напряжения VDD через S1 и S3. Во время второго полупериода открыты S1 и S3, а заряд с С1 переносится на конденсатор С2 через ключи S2 и S4.

Рис. 10. Схема рабочего режима преобразователя напряжения НТ7660

Таким образом, напряжение на конденсаторе С2 составляет V_DD. Поскольку положительный вывод С2 подсоединен к «земле» V_SS, то на выводе V_OUT получаем напряжение –V_DD. При высоком входном напряжении работает встроенный стабилизатор напряжения (вывод LV никуда не подключается). В этом случае снижается ток потребления RС-генератора, а частота переключения f_OSC остается постоянной во всем диапазоне входного напряжения.

Различные варианты использования НТ7660 приведены на рис. 11–14.

Рис. 11. Простой формирователь отрицательного напряжения на основе НТ7660

Рис. 12. Простой удвоитель отрицательного напряжения на основе НТ7660

Рис. 13. Простой удвоитель напряжения на основе НТ7660

Рис. 14. Удвоитель напряжения и формирователь отрицательного напряжения на основе НТ7660