Выбор и расчет элементов электрической схемы
1 Расчет мостового выпрямителя
Для правильного выбора элементов схемы необходимо знать величины токов, текущих по цепям. Рассмотрим выбор диодов выпрямителя и расчет сопротивления нагрузки.
Рассчитаем сопротивление нагрузки. Максимально допустимое напряжение:
Umax доп = Uвх, (1)
где Uвх – напряжение источника питания.
Согласно требованиям технического задания Uвх = 24 В. Следовательно, Umax доп = 34 В. Исходя из этих данных можно выбрать диоды. Диоды выбирают так, чтобы значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения были равны расчетным значениям или превышали их. В данной схеме целесообразно использовать диоды типа КД103Б, у которых Uобр max = 50 В, Iпр max = 100 мА и Uпр max = 1,2 В [].
Предположим, что ток нагрузки Iн = 0,1 А. Напряжение на нагрузке можно вычислить по формуле:
Uн = Uвх – Uпр max 2, (2)
где Uн – напряжение на нагрузке;
Uвх – напряжение источника питания;
Uпр max 2 – напряжение для последовательного соединения диодов мостовой схемы.
Известно,
что у каждого из четырех диодов Uпр
max =
1,2 В. В мостовой схеме два диода всегда
соединены последовательно, а значит
Uпр
max2 =
2,4 В. Подставив данные значения в формулу
(2), получим значение напряжения на
нагрузке U
Зная ток нагрузки Iн и напряжение нагрузки Uн, по закону Ома можно найти сопротивление нагрузки Rн =216 Ом.
2 Расчет сглаживающего фильтра
Поскольку в схеме частота сети 50 Гц (после удвоения на выпрямителе – 100 Гц), то типичная емкость конденсатора находится в диапазоне от 100 мкФ до 30000 мкФ.
Конденсатор подбирают так, чтобы выполнялось условие []:
, (3)
где f – частота пульсаций;
Rн – сопротивление нагрузки;
C – емкость конденсатора.
При этом происходит ослабление пульсаций за счет того, что постоянная времени для разрядки конденсатора существенно превышает время между перезарядками [].
Выразив из (3) величину С:
(4)
и подставив численные значения, получим емкость конденсатора .
Для определения коэффициента пульсации выходного напряжения воспользуемся формулой 5:
(5)
где I – средний ток нагрузки
C – емкость конденсатора
f – частота переменного напряжения в герцах
Подставив численные значения, получим q ≈ 0,2.
3 Стабилизатор напряжения
В данном проекте используются стабилизаторы серий 142ЕН. Основными критериями выборов данных стабилизаторов, послужили их номинальные значения, приведенные в таблице 1 и коэффициент нестабильности по напряжению стабилизатора, влияющий на нестабильность напряжения всего ИОН, которая должна соответствовать заданию.
4 Делителя напряжения
Простейший делитель напряжения – схема, которая для данного напряжения на входе создает на выходе напряжение, являющееся частью входного, приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Делитель напряжения
5 Расчет источников опорного напряжения
Для получения выходных напряжений минус 8,14 В используется схема, на основе стабилизатора 142ЕН11 изображенная на рисунке 6.
Рисунок 6 – Схема включения 142ЕН11
Требуемый уровень выходного напряжения, указанного в задании, устанавливается резисторами R1 и R2 [].
Следовательно:
(7)
Uобр – образцовое напряжение, формируемое внутренним источником микросхемы, для данного стабилизатора Uобр = -1,25 В, а резистор R1 = 120 Ом []. Подставив значения получим, что при выходном напряжении минус 8.123 R2 = 659 Ом, а при минус 8.156 R2 = 663 Ом.
Для получения выходных напряжений 15,4 В и 4,5 В (второй и третий источник) используется схема, на основе стабилизаторов 142ЕН8А – во втором источнике и 142ЕН5А – в третьем источнике, изображенная на рисунке 7.
Рисунок 7 – Схема включения стабилизаторов 142ЕН8А и 142ЕН5А
Требуемый уровень выходного напряжения, указанного в задании, устанавливается резисторами R1 и R2 []. При данном включении таких стабилизаторов, сопротивление резистора R2 вычисляется по формуле 8 [].
(8)
Uвых – выходное напряжение источника;
Uвыхст – выходное напряжение стабилизатора, для стабилизатора 142ЕН8А оно равно 9 В, а для 142ЕН5А равняется 5В;
Iп – ток потерь микросхемы, для обоих стабилизаторов он равен 10 мА;
R1 = 300 Ом [].
Подставив в формулу 8 численные значения, получим, что в третьем источнике опорного напряжения при выходном напряжении 15,37 В сопротивление резистора R2= 210 Ом, при выходном напряжении 15,43 В сопротивление резистора R2 = 212 Ом; в четвертом источнике опорного напряжения при выходном напряжении 4,49 В сопротивление резистора R2 = 22,5 Ом, при выходном напряжении 4,51 В сопротивление резистора R2 = 45 Ом.
Так же в четвертом источнике опорного напряжения, так стабилизатор выдавал напряжение выше указанного в задании, я его понизил его двумя диодами по 0,7 В.
Во всех источниках регулировка выходного напряжения осуществлялась за счет регулируемого резистора R2 соответственно.
Нестабильность напряжения источников, рассчитывается по формуле 9
(9)
Кu – коэффициент нестабильности по напряжению стабилизатора;
У
стабилизатора 142ЕН11 К
Выходное сопротивление источников рассчитывалось по формуле (3.10)
(10)
КI – коэффициент нестабильности по току стабилизатора
Таблица 1 –
142ЕН11 | 142ЕН8А | 142ЕН5А | |
Uвх, В | 5…45 | 11,5…35 | 7,5…15 |
Uвых, В | 1,2. ..37 | 8,73…9,27 | 4,9…5,1 |
2
Стабилизаторы с низким падением между входом и выходом
Алексеев Владимир
№ 3’2010
PDF версия
Существенно улучшить энергетические и массогабаритные показатели источников питания возможно путем использования микросхем непрерывных стабилизаторов напряжения с низким напряжением между входом и выходом. В статье рассматриваются разработанные ОАО «НПП «ЭлТом» микросхемы, приведены их технические характеристики и электрические параметры, рекомендуемые схемы включения.
Существенно улучшить энергетические и массогабаритные показатели источников питания возможно путем использования микросхем непрерывных стабилизаторов напряжения с низким напряжением между входом и выходом.
Для низковольтной аппаратуры специального применения предназначены разработанные ОАО «НПП «ЭлТом» микросхемы 142ЕР3У, 1303ЕН1.8П, 1303ЕН2.5П, 1303ЕН3.
Тип микросхем | Параметр | |||||||
Uвх min, В | Uвх max, В | Uвых min, В | Uвых max, В | Uпд min, В | Iвых max, мА | КU, %/В | КI, %/А | |
142ЕН1 | 5 | 30 | 3 | 12 | – | 150 | 0,1 | 4,5 |
142ЕР3У | 2,5 | 16 | 2 | 8 | 0,4 | 200 | 0,015 | 3 |
Тип микросхем | Параметр | ||||||
Uвх min, В | Uвх max, В | Uвых, В | Uпд min, В | Iвых max, A | КU, %/В | КI, %/A | |
142ЕН5А | 7,5 | 15 | 5±0,1 | 2,5 | 3 | 0,05 | 1,0 |
1303ЕН5П1 | 5 | 16 | 5±0,15 | 0,6 | 5 | 0,05 | 0,5 |
Микросхемы 142ЕР3У имеют универсальное применение и обеспечивают регулировку стабилизированного напряжения в диапазоне 2–8 В при выходном токе до 200 мА. Стабилизирующие свойства микросхем сохраняются при снижении напряжения (мВ) между входом и выходом до величины
Uвх/вых(min) = 50 +1,5×Iвых,
то есть не превышающей 400 мВ при предельнодопустимом выходном токе.
Рекомендуемая схема включения микросхемы 142ЕР3У приведена на рис. 1. Особенностью микросхемы является питание усилителя рассогласования и источника опорного напряжения стабилизированным выходным напряжением с помощью отдельного вывода 5. Такое включение позволяет компенсировать падение напряжения на выводах микросхемы и соединительных проводниках и обеспечить нестабильность по входному напряжению и выходному току не хуже 0,015%/В и 3%/А.
Рис. 1. Схема включения микросхемы 142ЕР3У
Температурный уход выходного напряжения менее 0,01%/ °С в диапазоне рабочих температур –60…+125 °С. Экономичность микросхемы обеспечивается малым током собственного потребления, составляющим 1–2 мА, а также возможностью ее перевода в дежурный режим с током потребления 10–20 мкА путем соединения вывода 1 с общей шиной.
При необходимости увеличения выходного тока свыше 200 мА к микросхеме 142ЕР3У можно подключить во входную цепь работающий в режиме усилителя мощности дискретный р-n-р-транзистор или к выходу n-p-n-транзистор — аналогично схемам усилителей мощности, рассмотренным в технической литературе [1, 2]. Кроме того, микросхемы 142ЕР3У очень эффективно работают в схемах стабилизации тока в нагрузке, обеспечивая выходное динамическое сопротивление при выходном токе 10 мА до 100 кОм и 10 кОм при выходном токе до 100 мА.
Наименование параметра, единица измерения | Норма параметра 142ЕР3У | Режим измерения | Температура среды, °С | |
Не менее | Не более | |||
Опорное напряжение Uоп, В | 1,22 | 1,26 | Uвх = 2,7 В, Uвых = 2,2 В, Iвых = 1 мА | 25 |
1,21 | 1,27 | –60…+125 | ||
Ток потребления, Iпот мА | – | 3 | Uвх = 8 В, Uвых = 7,5 В, Iвых = 200 мА | 25 |
Нестабильность опорного напряжения по напряжению КUоп, %/В | – | 0,015 | Uвх1 = 2,7 В, Uвх2 = 16 В, Uвых = 2,2 В, Iвых = 1 мА | 25 |
0,03 | –60…+125 | |||
Нестабильность опорного напряжения по току КIоп, %/А | – | 3 | Uвх = 2,7 В, Uвых = 2,2 В, Iвых1 = 1 мА, Iвых2 = 200 мА | 25 |
5 | –60…+125 | |||
Температурный коэффициент опорного напряжения αUоп, %/°С | – | 0,01 | Uвх = 2,7 В, Uвых = 2,2 В, Iвых = 1 мА | –60…+125 |
Высокая надежность 142ЕР3У и источников питания на ее основе обеспечиваются защитой от превышения выходного тока свыше 500 мА, возможностью работы на короткозамкнутую нагрузку, устойчивостью к переполюсовке входного и выходного напряжения, а также защитой от перегрева кристалла свыше +160 °С. Основные электрические параметры микросхемы 142ЕР3У приведены в табл. 3 и на рис. 2. Микросхемы устойчивы к самовозбуждению при подключении конденсаторов малой емкости (существенно меньшей, чем обычно используемые в стабилизаторах с малым падением напряжения). Микросхемы 142ЕР3У выпускаются в малогабаритных металлокерамических корпусах Н02.8-2В, позволяющих рассеивать мощность не менее 0,2 Вт при температуре окружающей среды до +125 °С.
Рис. 2. Зависимость минимального падения напряжения от выходного тока для микросхемы 142ЕР3У
Для питания низковольтных микропроцессорных узлов с большим током потребления предназначена серия стабилизаторов напряжения 1303ЕН-ХХ с фиксированными выходны- ми напряжениями 1,8; 2,5; 3,3 и 5,0 В с точностью его подгонки около 1%. Эти стабилизаторы обеспечивают ток в нагрузке до 5 А во всем рабочем диапазоне температуры среды (–60… +125 °С) при напряжении между входом и выходом всего 0,6 В. Уменьшение выходного тока этих микросхем при эксплуатации позволяет пропорционального снизить минимальное падение напряжения между входом и выходом. Микросхемы характеризуются очень высокими показателями стабильности, типовые значения которых равны 0,01%/В и 0,1%/А. В серии 1303 достаточно четко выражена особенность всех стабилизаторов с малым падением напряжения, заключающаяся в зависимости тока потребления от выходного тока, которую необходимо учитывать при определении выделяющейся в микросхеме мощности. Обычное значение тока, протекающего через нулевой вывод микросхемы, равно 1% от выходного.
Для предотвращения самовозбуждения микросхем рекомендуется использовать сочетание керамических и танталовых конденсаторов (рис. 3).
Рис. 3. Схема включения микросхем 1303ЕН1.8П, 1303ЕН2.5П, 1303ЕН3.3П, 1303ЕН5П
Микросхемы серии 1303 выпускаются в корпусах КТ-28А, представляющих собой металлокерамический аналог распространенного корпуса ТО-220. Типовое значение теплового сопротивления кристалл-корпус составляет 5–6 °С/Вт, что позволяет рассеивать мощность около 5 Вт при установке микросхем на теплоотводящий радиатор с температурой +125 °С.
Параметры и режим измерения | Норма параметра | Температура среды, °С | |||||||
1303ЕН1.8П | 1303ЕН2.5П | 1303ЕН3.3П | 1303ЕН5П | ||||||
не менее | не более | не менее | не более | не менее | не более | не менее | не более | ||
Выходное напряжение Uвых, В | 1,75 | 1,85 | 2,43 | 2,57 | 3,2 | 3,4 | 4,85 | 5,15 | 25 |
Uвх = Uвых+1 В, Iвых = 10 мА | 1,73 | 1,87 | 2,4 | 2,6 | 3,15 | 3,45 | 4,77 | 5,23 | –60…+125 |
Ток потребления Iпот, мА Uвх = Uвых+1 В, Iвых = 5 А | – | 85 | – | 85 | – | 85 | – | 85 | 25 |
Нестабильность по напряжению КUвых, %/В | – | 0,05 | – | 0,05 | – | 0,05 | – | 0,05 | 25 |
Uвх1 = Uвых+1 В, Uвх2 = 16 В, Iвых = 10 мА | – | 0,1 | – | 0,1 | 0,1 | – | 0,1 | –60…+125 | |
Нестабильность по току КIвых, %/А | – | 0,5 | – | 0,5 | 0,5 | – | 0,5 | 25 | |
Uвх = Uвых+1 В, Iвых1 = 10 мА, Iвых2 = 5 А | – | 1 | – | 1 | – | 1 | – | 1 | –60…+125 |
Температурный коэффициент выходного напряжения αUвых, %/ °С Uвх = Uвых+1 В, Iвых = 10 мА | – | 0,01 | – | 0,01 | – | 0,01 | – | 0,01 | –60…+125 |
Устойчивость микросхем серии 1303 к аварийным режимам работы обеспечивается встроенными защитами от превышения выходного тока и перегрева кристалла свыше +150 °С, переполюсовки напряжения между входом и выходом, а также блокировкой выхода при увеличении входного напряжения выше 17 В. Основные электрические параметры микросхем серии 1303 представлены в табл. 4 и на рис.4.
Рис. 4. Зависимость минимального падения напряжения от выходного тока микросхем 1303ЕН1.8П, 1303ЕН2.5П, 1303ЕН3.3П, 1303ЕН5П
Литература
- Микросхемы для линейных источников питания. М.: Додека. 1995.
- Технический отчет по ОКР «Кубераку» ОАО «НПП «ЭлТом». Томилино. 2009.
Регулятор напряжения КРЭН: характеристики, схема подключения, аналоги
КПЭН, «кренка» — нарицательное название интегральных стабилизаторов напряжения 142 серии. Размер его корпуса не позволяет провести полную маркировку серии ( КР142ЕН5А и т.д. ), поэтому разработчики ограничились кратким вариантом — КПЕН5А. «Кренки» получили широкое распространение как в промышленности, так и в любительской практике.
Содержание
- 1 Что представляют собой регуляторы напряжения КПЭН 142
- 2 Модификации микросхем
- 3 Основные технические характеристики
- 4 Назначение выводов и принцип работы
- 5 Пример типовой схемы подключения
- 6 Какие есть аналоги
- 7 Как проверить работоспособность микросхем КПН
Микросхемы серии 142 завоевали популярность из-за простоты получения стабильного напряжения — простая обвязка, отсутствие регулировки и настроек. Достаточно подать питание на вход, а на выходе получить стабилизированное напряжение. Наиболее популярны и распространены нерегулируемые интегральные регуляторы в корпусах ТО-220 на напряжение до 15 вольт:
- КР142ЕН5А, В — 5 вольт;
- КР142ЕН5Б, Г — 6 вольт;
- КР142ЕН8А, Г — 9 вольт;
- КР142ЕН8Б, Д — 12 вольт;
- КР142ЕН8Б, Е — 15 вольт;
- КР142 ЕН8Ж, I — 12,8 вольт.
В случаях, когда необходимо более высокое стабильное напряжение, применяются приборы:
- КР142ЕН9А — 20 вольт;
- КР42ЕН9Б — 24 вольта;
- КР142ЕН9Б — 27 вольт.
Эти микросхемы также доступны в планарном исполнении с немного другими электрическими характеристиками.
Серия 142 включает другие встроенные регуляторы. К микросхемам с регулируемым выходным напряжением относятся:
- КР142ЕН1А, Б — с диапазоном регулирования от 3 до 12 вольт;
- КР142ЕН2Б — с диапазоном 12…30 вольт.
Эти устройства выпускаются в корпусах по 14 контактов. В эту категорию также входят трехвыводные стабилизаторы с тем же диапазоном выходного напряжения от 1,2 до 37 вольт:
- КР142ЕН12 положительной полярности;
- КР142ЕН18 отрицательной полярности.
В серию входит микросхема КР142ЕН6 — двухполярный стабилизатор с возможностью регулирования выходного напряжения от 5 до 15 вольт, а также включения в качестве нерегулируемого источника ±15 вольт.
Все элементы серии имеют встроенную защиту от перегрева и короткого замыкания на выходе. А переполюсовку на входе и подачу внешнего напряжения на выход они не любят — время жизни в таких случаях исчисляется секундами.
Модификации чипа
Модификации микросхем, составляющих серию, отличаются корпусом. Большинство однополярных нерегулируемых регуляторов выполнены в «транзисторном» корпусе ТО-220. Он имеет три контакта, что не во всех случаях достаточно. Поэтому некоторые микросхемы были изготовлены в многосвинцовых корпусах:
- ДИП-14;
- 4-2 — то же, но в керамической оболочке;
- 16-15. 01 — планарный корпус для поверхностного монтажа (SMD).
Такие версии в основном доступны с регулируемыми и биполярными стабилизаторами.
Основные технические характеристики
Помимо выходного напряжения, для регулятора важен ток, который он может обеспечить под нагрузкой.
Chip type Rated current, А К(Р)142ЕН1(2) 0,15 K142EN5A, 142EN5A 3 KR142EN5A 2 К142ЕН5Б, 142ЕН5Б 3 KR142EN5A 2 K142EN5V, 142EN5V, KR142EN5V 2 K142EN5G, 142EN5G, CR142EN5G 2 K142EN8A, 142EN8A, CR142EN8A 1,5 K142EN8B , 142EN8B, CR142EN8B 1,5 K142EN8C, 142EN8C, CR142EN8C 1,5 KR142EN8G 1 KR142EN8D 1 KR142EN8E 1 KR142EN8G 1,5 KR142EN8I 1 K142EN9A, 142EN9A 1,5 K142EN9B, 142EN9B 1 ,5 K142EN9B, 142EN9B 1,5 KR142EN18 1,5 KR142EN12 1,5 This data is sufficient for a preliminary decision on the возможность использования конкретного регулятора. Если нужны дополнительные характеристики, их можно найти в справочниках или в Интернете.
Назначение выводов и принцип действия
По принципу действия все микросхемы серии относятся к линейным стабилизаторам. Это означает, что входное напряжение распределяется между регулирующим элементом (транзистором) стабилизатора и нагрузкой, так что на нагрузке падает напряжение, которое задается внутренними элементами микросхемы или внешними цепями.
При увеличении входного напряжения транзистор закрывается, при уменьшении — открывается, так что напряжение на выходе остается постоянным. При изменении тока нагрузки регулятор работает аналогичным образом, поддерживая постоянное напряжение нагрузки.
Данная схема имеет недостатки:
- Через регулирующий элемент постоянно протекает ток нагрузки, поэтому постоянно рассеивается мощность P=U регулятора ⋅I на нагрузку . Эта мощность тратится впустую и ограничивает КПД системы – она не может быть выше U нагрузки /U регулятора. .
- Входное напряжение должно быть выше напряжения стабилизации.
Но удобство эксплуатации, дешевизна устройства перевешивают недостатки, а в диапазоне рабочих токов до 3 А ( и даже выше ) что-то более сложное использовать бессмысленно.
Регуляторы напряжения с фиксированным напряжением, а также регулируемые регуляторы новых разработок (К142ЕН12, К142ЕН18) в трех- и четырехвыводном исполнении имеют выводы, обозначенные цифрами 17,8,2. Такое нелогичное сочетание явно выбрано для согласования выводов с микросхемами в DIP-корпусах. Фактически такая «густая» маркировка осталась только в технической документации, а на схемах используются обозначения выводов, соответствующие зарубежным аналогам.
Older K142EN1(2) microcircuits in 16-pin planar packages have the following pin assignment:
Assignment Pin number Pin number Designation Not used 1 16 Вход 2 Шумовой фильтр 2 15 Не используется Не используется 3 14 0105 Input 4 13 Output Not used 5 12 Voltage regulation Reference voltage 6 11 Current protection Не используется 7 10 Токовая защита 0Общая 8 9 Отключение Недостатком планарной конструкции является большое количество дублирующих выходов устройств.
Стабилизаторы КР142ЕН1(2) в корпусах DIP14 имеют другое расположение выводов.Designation Pin number Pin number Designation Current protection 1 14 Switching off Current protection 2 13 Correction circuits Feedback 3 12 Input 1 Input 4 11 Input 2 Reference voltage 5 10 Output 2 Не используется 6 Не используется Common 7 8 Выход 1 - 2924
90241 1 0005 K142EN6 and KR142EN6 microcircuits, produced in different housing versions with heat sink and single-row layout of the pins, have the following pinout:
Pin number Designation 1 Control сигнальный вход обоих рук 2 Выход «-» 3 Вход «-» управления 4 Общий0100 5 Correction «+» 6 Not used 7 Output «+» 8 Input «+» 9 Correction » -» Пример типовой схемы подключения
Типовая схема одинакова для всех нерегулируемых однофазных регуляторов напряжения:
С1 должен иметь емкость от 0,33 мкФ, С2 от 0,1. В качестве С1 можно использовать конденсатор фильтра выпрямителя, если проводники от него до входа стабилизатора имеют длину не более 70 мм.
Двухполярный стабилизатор К142ЕН6 обычно переключается так:
Для микросхем К142ЕН12 и ЕН18 выходное напряжение устанавливается резисторами R1 и R2.
Для К142ЕН1(2) типовая схема выглядит сложнее:
Кроме типовой интегральной схемы для стабилизаторов серии 142 существуют и другие варианты, позволяющие расширить область применения микросхем.
Какие есть аналоги
For some 142 series devices there are full foreign analogs:
K142 chip Foreign analog KREN12 LM317 KPP18 LM337 KPHN5A ( LM)7805C CREN5B (LM)7805C CREN8A (LM)7806C CREN8B (LM)7809C KPHEN8B (LM)78012C KPHEN6 (LM)78015C KPHEN2B UA723C Full analog means that the microcircuits are identical in electrical characteristics, package and pin layout . Но есть и функциональные аналоги, которые во многих случаях заменяют дизайнерскую фишку. Итак, 142ЕН5А в планарном корпусе не является полным аналогом 7805, но по характеристикам ему соответствует. Поэтому, если есть возможность установить один корпус вместо другого, такая замена не ухудшит качества всего устройства.
Другая ситуация — КРЕН8Г в «транзисторном» исполнении не считается аналогом 7809 из-за того, что у него меньший ток стабилизации (1 ампер против 1,5 ампер). Если не критично и реальный ток потребления в цепи питания меньше 1А (с запасом), то можно смело заменить LM7809 на КР142ЕН8Г. И в каждом случае всегда следует прибегать к помощи справочника — часто можно подобрать что-то похожее по функционалу.
Как проверить работоспособность микросхем КРЭН
Микросхемы 142 серии имеют достаточно сложную структуру, поэтому однозначно проверить ее работоспособность мультиметром невозможно. Единственный выход — собрать реальную схему выключателя (на плате или в навесном монтаже), включающую хотя бы входной и выходной конденсаторы, подать питание на вход и проверить напряжение на выходе.