Simulation of stabilized power supply for cascades of amplification in measuring devices

Full Text

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) имеют широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются основными составляющими систем преобразования и отображения информации, программируемых источников питания и цифровых измерительных приборов (ЦИП) [1]. Входные усилительные каскады ЦИП в основном реализуются на операционных усилителях (ОУ) или транзисторных усилительных каскадах, работающих в режиме класса «А». При этом для неискажённой передачи информационных сигналов важно добиться высокой стабильности напряжения источника питания и малых его пульсаций, учитывая, что питание таких приборов осуществляется

обычно от промышленной сети. Современные импульсные источники питания, работающие на частотах преобразования до 1 мГц, имеют достаточно высокие показатели по стабильности выходного напряжения, а также по экономичности, однако достичь малых пульсаций выходного напряжения на уровнях менее ±1 мВ, что требуется для качественной работы усилительных каскадов измерительных приборов, с ними достаточно сложно.

Для достижения цели создания высокостабильного источника питания для ОУ с пульсациями выходного напряжения менее ±1 мВ с входным питанием от промышленной сети переменного тока с напряжением 220 В±10% нами рассмотрено известное схемотехническое решение линейного источника питания [2; 3], реализованного на микросхеме КР142ЕН8В, электрическая принципиальная схема (ЭПС) которого представлена на рисунке 1.

Рис. 1. ЭПС линейного источника питания для ОУ с выходным напряжением U_вых= +15 В.

Моделирование электрических процессов в данной схемы питания ОУ осуществлялось в программной среде Multisim 11.0. На рисунке 2 представлена визуализация исследуемой схемы.

Рис. 2. Визуализация исследуемой схемы источника питания в Multisim.

Исследования пульсаций выходного напряжения U_вых осуществлялись при вариации следующих параметров схемы:

• сопротивление вторичной обмотки трансформатора R_i изменялось дискретно в пределах от 0,1 Ом до 10 Ом;
• действующеезначение напряжения на выходе трансформатора U_вых.тр изменялось в соответствии с изменением входного напряжения трансформатора в пределах ±10 % от установленного номинального значения;
• ёмкость конденсатора фильтра C1 изменялось дискретно в пределах от 0,1 мФ до 5 мФ;
• выходной максимальный ток I_вых в нагрузке был установлен равным 0,25 А.

В ходе моделирования при изменении сопротивления вторичной обмотки R_i было обнаружено, что форма сигнала выходного напряжения U_вых._тр с вторичной обмотки трансформатора изменялась. На рисунке 3 изображены осциллограммы U_вых.тр при различных значениях R_i.

Рис. 3. Формы сигналов выходного напряжения с трансформатора при различных значениях сопротивлении вторичной обмотки Ri: а) 0,1 Ом; б) 5 Ом; в) 10 Ом.

Из рисунка 3 видно, что при достаточно малом значении R_i = 0,1 Ом форма выходного напряжения трансформатора U_вых.тр соответствует синусоидальной временной зависимости (рисунок 3а). Однако с увеличением Ri выходное напряжение трансформатора U_вых.тр начинает приобретать трапецеидальную форму. Это свидетельствует об увеличении активных электрических потерь в выходной обмотке трансформатора. Этот эффект приводит к дополнительному нагреву трансформатора при эксплуатации. Таким образом, для снижения электрических потерь и, соответственно, повышения коэффициента полезного действия источника питания, а также температуры перегрева обмоток трансформатора требуется  обязательное  снижение  сопротивления  выходной  обмотки  Ri   трансформатора

питания. При этом необходимо учитывать, что это возможно только при увеличении диаметра медных проводов трансформатора. Однако, в свою очередь это приводит к увеличению массы и габаритов трансформатора питания.

При моделировании значения выходных пульсаций напряжения Uвых.пул определялись по величинам размахов показаний пульсаций с экрана виртуального осциллографа. На рисунке 4 подробно показано как проводились измерения.

Рис. 4. Определение пульсаций входного напряжения (линия синего цвета) на конденсаторе C1 и выходных пульсаций (линия красного цвета) напряжения на нагрузке стабилизатора по осциллограммам.

Результаты исследования зависимостей пульсаций выходного напряжения U_{вых.пул} от величины ёмкости конденсатора фильтра С1 при различных значениях нестабилизированного входного переменного напряжения.

На основе этих данных на рис. 5 представлены. графики зависимостей пульсаций выходного напряжения U_{вых.пул} от величины ёмкости конденсатора фильтра С1 при R_i = 0,1 Ом, R_i = 5 Ом и R_i = 10 Ом и при действующих значениях напряжения на выходной обмотке трансформатора пропорциональные, пропорциональные изменения действующим значениям нестабилизированного напряжения питающей сети при U_вх = 198 В; при Uвх = 220 В; при U_вх = 242 В.

Рис. 5. Графики зависимостей выходных пульсаций Uвых.пул. от ёмкости сглаживающего фильтра C1 при Ri: а) 0,1 Ом; б) 5 Ом; в) 10 Ом.

Анализируя данные графики, можно заметить, что при увеличении R_i пульсации выходного напряжения снижается. Также можно сделать вывод о том, что во всех случаях (рисунок 6 а-в) уровень пульсаций 1мВ достигается при ёмкости С1=2,5 мФ (25 000 мкФ). При этом для обеспечения такого уровня пульсации необходимо применять электролитические конденсаторы с номинальной ёмкостью не менее 2,7 мФ [4].

При изменении напряжения сети, параметров трансформатора и конденсатора С1, также меняется мощность P_ст, которая выделяется в силовой цепи микросхемы стабилизатора. Эта мощность можно определить по формуле:

P_ст = U_стI_вых ,                                                                                (1)

где U_ст – падение напряжения между входом и выходом стабилизатора, В; I_вых – сила тока в нагрузке, А.

Исследования показали, что величина максимальной мощности P_стмак выделяемой в силовой цепи микросхемы стабилизатора при С1=2,5 мФ достигается для всех значений Ri достигается при максимальном действующем значении напряжения питающей сети U_д._{сетимак}  = 242 В. При этом проведена оценка площади охлаждающего радиатора, расчёт которой проводилась по известной формуле [5]:

$S_{охл}=$$\frac{1350}{\frac{\left(T_{J.макс}-T_{окр}\right)}{P_{cm}}-R_{th}}$,                                                       (2)

где T_J.макс – предельная максимальная температура полупроводниковых структур микросхемы стабилизатора, при которой обеспечиваются заданные показатели надёжности микросхемы при эксплуатации, ℃; T_окр – максимальная температура окружающей среды при эксплуатации, ℃; P_ст  – мощность на стабилизаторе, Вт; R_th – установившееся значение теплового сопротивления радиатора, Ом.

При этом предельное значение температуры T_J.макс выбрана равной +60 ℃., значение максимальной температуры окружающей среды T_окр выбрана +40 ℃, а по справочным данным для данной микросхемы стабилизатора R_th = 3 ℃ /Вт.

Расчётные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

На основе данных из таблицы 1 построен график зависимости площади радиатора S_охл

от сопротивления вторичной обмотки Ri (рис.  6).

Рис. 6. График зависимости площади поверхности радиатора Sохл от сопротивления вторичной обмотки Ri..

Из полученной зависимости видно, что чем больше сопротивление вторичной обмотки Ri, тем больше габариты и, соответственно, масса радиатора.

В дальнейшем данные исследования будут использованы при разработке высокостабильных источников питания с малыми пульсациями выходного напряжения, которые составят основу электрического питания измерительных устройств, разрабатываемых на кафедре электроники и наноэлектроники Научно-исследовательского Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва.

About the authors

N. N. Bespalov

Author for correspondence.
Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation

K. A. Lyadunov

Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation

V. Y. Limonov

Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation

A. A. Perkov

Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. EPS of a linear power supply for an op amp with an output voltage Uout = +15 V.

Download (40KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Visualization of the investigated power supply circuit in Multisim.

Download (139KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Waveforms of the output voltage from the transformer at different values ​​of the secondary winding resistance Ri: a) 0.1 Ohm; b) 5 Ohm; c) 10 Ohm.

Download (234KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Determining the input voltage pulsations (blue line) on the capacitor C1 and the output voltage pulsations (red line) on the stabilizer load using oscillograms.

Download (403KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Graphs of the dependence of output pulsations Uout.pul. on the capacity of the smoothing filter C1 at Ri: a) 0.1 Ohm; b) 5 Ohm; c) 10 Ohm.

Download (270KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Graph of the dependence of the radiator surface area Sokhl on the resistance of the secondary winding Ri.

Download (55KB)

Indexing metadata