Оптимизация величин некоторых параметров линейных источников питания на основе стабилизаторов напряжения

Стабилизированные линейные источники питания (ЛИП) на основе параметрических стабилизаторов напряжения обладают относительно низким коэффициентом полезного действия (КПД) по сравнению с импульсными высокочастотными источниками питания. Однако первые создают существенно меньшие помехи и имеют относительно малые низкочастотные пульсации выходного напряжения, поэтому такие источники питания широко используются в измерительной технике, для питания усилительных и преобразовательных каскадов. Для выполнения своей задачи ЛИП должны, прежде всего, обеспечивать минимальные пульсации на выходе, осуществлять стабилизацию при колебаниях напряжения питающей промышленной сети, обладать относительно малыми габаритами и нормально работать при повышении температуры окружающей среды [1; 2]. Одним из факторов, способствующих выполнению этих комплексных требований, является выбор величин входной емкости конденсатора фильтра на входе компенсационного стабилизатора ЛИН.

Цель работы заключалась в определении входной емкости конденсатора при которой достигаются оптимальные величины параметров ЛИП, которые обеспечат стабильную работу ЛИП в случае колебания сетевого напряжения и в случае изменения температуры окружающей среды T ОКР . Выполнение работы велось в Multisim 11.

Моделирование схемы источника питания в программном комплексе Multisim 11.

В программном комплексе Multisim 11 реализована модель ЛИН на микросхеме LM7815CT (рис. 1а). Микросхема позволяет получить стабильное напряжение на выходе U ВЫХ равное 15 В и стабильный ток в нагрузке I Н до 1 А. Элемент V 1 имитирует выходную обмотку трансформатора ( U ВЫХТР ).

б )

Рис. 1. Модель ЛИН с параметрическим стабилизатором на основе микросхемы LM7815CT и временные диаграммы напряжения на входе и выходе стабилизатора.

На рисунке 1б приведены временные диаграммы напряжения U ВХСТБ на входном конденсаторе С 1 и, соответственно, на входе стабилизатора моделируемого ЛИП и выходного стабилизированного напряжения U ВЫХ = 15 В, полученного с минимальными пульсациями. Моделирование всех режимов проводилось при соблюдении обязательного условия: минимальная разница между входным и выходным напряжением микросхемы U разн . должна быть не менее 2 В, чтобы обеспечивать заданный режим стабилизации при любых условиях.

Опытным путем было выявлено, что, увеличивая емкость входного конденсатора

C 1, можно добиться уменьшения величин следующих параметров: напряжения вторичной обмотки трансформатора U ВЫХТР , мощности, выделяемой регулирующим элементом параметрического стабилизатора ( P ), площади радиатора охлаждения ( S ).

Результаты моделирования.

На основе моделирования ЛИП при различных сочетаниях величин различных параметров получены данные, по которым построены следующие графики зависимостей.

На рисунках 2 и 3 приведены графики зависимости изменения U ВЫХТР от емкости входного конденсатора С 1 при стандартном разбросе напряжения питающей промышленной сети и величинах тока нагрузки I Н = 0,5 А и 1 А.

Рис. 2. Графики зависимости напряжения U ВЫХТР на выходной обмотке трансформатора от емкости конденсатора С 1 при разных значениях сетевого напряжении и токе нагрузки I Н = 0,5 А.

Рис. 3. Графики зависимости напряжения U ВЫХТР на выходной обмотке трансформатора от емкости конденсатора С 1 при разных значениях сетевого напряжении и токе нагрузки I Н = 1 А.

Из зависимостей, представленных на рисунках 2 и 3 видно, что выходное напряжение U ВЫХТР уменьшается при увеличении емкости конденсатора С 1 при обеспечении обязательного установленного условия U разн ≥2 В, что позволяет выбрать трансформатор с относительно малым выходным напряжением на вторичной обмотке.

На рисунках 4 и 5 показаны графики зависимости выделяемой мощности на стабилизаторе от UВЫХТР при разных номиналах С1 и разных токах нагрузки.

Рис. 4. График зависимости мощности, выделяемой на стабилизаторе, от напряжения с вторичной обмотки трансформатора при сетевом напряжении 242 В и I Н = 0,5 А.

1 -С1=470мкФ 2-С1=1000мкФ 3-С1=1800.икФ

4-С1=2200мкФ 5-С1=3300мкФ 6-С1=4700мкФ

Рис. 5. Графики зависимости мощности, выделяемой на стабилизаторе, от напряжения с вторичной обмотки трансформатора при сетевом напряжении 242 В и I Н = 1 А.

ивыхтр, В

Из графиков на рисунках 4 и 5 видно, что с увеличением емкости входного конденсатора С1 уменьшается выделяемая мощность Р на микросхеме, что, естественно, увеличивает КПД стабилизатора и снижает температуру кристалла. Уменьшение выделяемой мощности также приводит к уменьшению площади S охладительного радиатора микросхемы при обеспечении требуемой температуры ТП, что существенно уменьшает габариты всей конструкции стабилизатора.

На рисунке 6 показана зависимость площади радиатора S стабилизатора от напряжения с вторичной обмотки трансформатора U ВЫХТР при температуре прибора T П равной 80 ⁰С и 125 ⁰С с учетом температуры окружающей среды равной 40 ⁰С.

Рис. 6. Графики зависимости площади радиатора стабилизатора от напряжения с вторичной обмотки трансформатора при входном сетевом напряжении 242 В и T П 80 ⁰С.

На рисунке 6 представлены графики, на которых видно, что увеличивая емкость входного конденсатора С 1 возможно уменьшать площадь радиатора охлаждения микросхемы без снижения качества питания.

На основании проведенного исследования определено, что для стабилизированного ЛИП на 15 В оптимальное значение емкости входного конденсатора составляет величину не менее 3300 мкФ. При данном номинале емкости конденсатора фильтра достигается минимальное значение мощности потерь на регулирующем транзисторе стабилизатора на микросхеме, что ведет к увеличению КПД стабилизатора и уменьшению площади радиатора охлаждения микросхемы, что, естественно, предопределяет снижение массогабаритных показателей ЛИП.