6Исследование возможностей стабилизации напряжения на основе применения блока питания с микросхемой LM317T
Епифанцев Кирилл Валерьевич
кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, pifancew@gmail.com
Процесс стабилизации напряжения является одной из главных задач современной промышленности. ГОСТ 32144-2013, нормирующей качество электроэнергии, рассматривает возможность применения высокотехнологичных устройств, позволяющих уменьшать скачки напряжения, уменьшать риск дефекта приборов из-за разностной частоты подаваемого напряжения. Современные адаптивные блоки питания направлены на выполнение данной функции. В статье исследуются вольт-амперные характеристики и характеристики надежности стабилизированного блока питания на микросхеме LM317T Ключевые слова: блок питания, качество напряжения, микросхемы, алгоритм работы
В процессе расчета измерительных преобразователей и приборов важным элементом расчета является настройка и проверка работы блока питания, осуществляющего главную функцию - периодической зарядки или постоянного питания прибора электроэнергией. Энергетическое «сердце» прибора может как продлить срок жизни «организму» прибора, так и его уменьшить [1-2]. Основная причина этого-фильтрация и понижение электроэнергии, ее преобразование из переменной в постоянную форму. Процесс трансформации формы электроэнергии происходит благодаря работе диодному мосту. Диодный мост имеет широкое распространение в радиоэлектронике. В разные временные отрезки были изобретены различные типы диодных мостов. Однофазный мост выполняется по мостовой схеме Гретца (1895 год) с электровакуумными диодами, однако постепенно эта схема по причине своей высокой цены была замещена схемой Миткевича, в которой вторичная обмотка трансформатора имеет средний вывод [4,5]. Также в 1924 году начала применяться схема Ларионова. Рассмотрим в таблице 1 разновидности данных схем.
Таблица 1
Разновидности схем выпрямителей
схема Миткевича
схема Гретца-Пол лака
схема Ларионова
А. ^ В, С.
ТУ
■с*
УР1
,т
ГА Ш
ч+)
§2£ =21
Трехфазная схема выпрямления со средней точкой и диаграммы напряжений и токов на элементах схемы.
Падение напряжение на р-п-пе-реходе удваивается. В любой момент времени ток проходит через пару диодов, а не один, как в случае однополупериод-ного выпрямителя. [6]
Напряжение на вентиле в 2 раза меньше, лучшее использование трансформатора, отсутствие вынужденного намагничивания магнитопровода, возможность подключать оборудование непосредственно от сети без трансформатора
Рассмотрим основную структуру и алгоритм работы схемы регулируемого стабилизированного блока питания, выполненного на микросхеме LM317T. Этот блок является надёжным источником питания цифровых устройств и имеет встроенную защиту от перегрева и перегрузки по току. Микросхема LM317T внутри себя имеет свыше двадцати транзисторов и является высокотехнологичным устройством, хотя снаружи выглядит как обычный транзистор [7].
Питание схемы рассчитано на напряжение до 40 вольт переменного тока, на выходе можно получить от 1.2 до 30 вольт постоянного, стабилизированного напряжения. Регулировка от минимума до максимума потенциометром происходит очень плавно, без скачков и провалов. Ток на выходе до 1.5 ампер. Если потребляемый ток не планируется выше 250 миллиампер, то радиатор не нужен. При потреблении большей нагрузки, микросхему необходимо поместить на теплопроводную пасту к радиатору общей площадью рассеивания 350 - 400 или больше, миллиметров квадратных. LM317Т - это регулируемый стабилизатор напряжения, может служить для создания
различных блоков питания, способен быть основой для стабилизатора тока, зарядного устройства, лабораторного блока питания и даже звукового усилителя. Надежность микросхемы обеспечивается наличием защит короткого замыкания выводов и перегрева микросхемы. LM317Т не требует множества компонентов в качестве обвязки.
Рисунок 2 - Микросхема ИМ317Т
Наиболее применима LM317T в корпусе Т0-220 на 1.5 Ампер, может использоваться в навесном монтаже, а также поверхностном. Радиатор в таком корпусе позволяет отводить излишнее тепло и испытывать более серьезные нагрузки. Отечественный аналог: КР142ЕН12А, а также КР142ЕН12 с фиксированным напряжением [1-2]. Рассчитаем надежность радиокомпонентов блока питания по ГОСТ Р 27.1022021 Надежность в технике. Полученный график на Рисунке 3 демонстрирует интенсивность отказов.
Рисунок 3 - График зависимости Лэ*107п, 1/ч (ср.) от температуры ( от 400 до 1600 ч.). Температура на испытании от 25 до 100°С
По графику на рисунке 3 видно, что значение интенсивности отказов Лэ*107п, 1/ч (ср.) растет с увеличением температуры. Точка перелома наблюдается при достижении температуры свыше 75 градусов. Рекомендуется установить радиатор охлаждения на микросхеме большей площади [7]. Подчеркнем, что данный расчет надежности, проводившийся в специализированной программе справедлив
только для схемы подключений согласно рисунку 1. Расчет был проведен в отечественном ПО. Данные одного из расчетных модулей при температуре 25°С представлены ниже (Рисунок 4) . В результатах расчета видно, что наиболее уязвимыми в данной схеме по результатам расчета Лэ являются конденсатор 3 и диод, следовательно для данных элементов необходимо резервирование и дублирование компонентов.
Результат расчета
Режим. Эксплуатация Условия группа 1.1
Температура окружающей среды. 'С' 25
Модуль: Аппаратура
Расчетная интенсивность отказов: 2.464197-10'71М Вероятность безотказной работы. 0.99970
Наименование Децимальные номер Кол. п шт. Позиционное эбознанение 1(5«''. 1/4 Коэффициенты моделей 07, ин Л3-107'П, 1/я вероятность
Интегральные микросхемы
И1417УД20ВК ИЕЯР.431130.145-МТУ 1 Микросхема 0,330000 <ст - 1,00 <корп = 1,00 1,00 <3 = 1,00 <пр = 1,00 0,331493 0.331493 >,99996
Полупроводниковые приборы
ЗДЮЗА ГТ3.362.060ТУ 4 Диод 0,360000 <р = 1.40 <ф = 1,50 <81 ^ 1,70 <3 = 1,00 <пр = 1,00 0.Ш7Г2 0,611090 >,99993
ЭД1(МА гтз.жоеату 2 Диод 2 0,450000 <р = 1,26 <ф = 1,50 <81 = >,70 <3 ± 1,00 <пр-1,00 0,120651 0.211302 >,99997
Резисторы
ГР-1 ЭЖ0.46Й.224ТУ 1 ^езистор р1 о.оеоооо <3 = 1,00 0,060000 0.080000 >,99999
ГР-6 ЭЖ0.468.264ГУ 1 ^езистор р2 о.оеоооо <3 = 1,00 0,080000 0.080000 >,99999
<онденсатэры
<10-26 эжо .460.1 оегу 1 <онденсатзр 1 0,030000 <р= 1,00 <с -1,31 <3 = 1,00 <пр-1,00 0,111847 0.111847 >.99993
<10-71 «КЯР.673511М1ТУ 2 <онденсатзр 2 и 1 0,194000 <р= 1,00 <с = 1,45 <3 -1,00 <пр-1,00 0,243296 0.566592 >,99993
<10-73 ЧАЕЦ.673511.010ТУ 1 <онденсагор 3 о.шооо <р-1,00 <с - 110 <3 = 1,00 <пр-1,00 0,108673 0.108873 >,99995
Рисунок 4 - Пример расчета надежности микросхемы в составе блока питания
Исследуем данную схему в программе FALSTAD [3]. Моделирование приведено на Рисунке 5.
Рисунок 5 - Пример схемы в программе РАЬЭТАО
Max=4DV Источник питания
1 i I I I i Г I
Рисунок 6- Осциллограмма входного напряжения с помеховыми элементами
1ах=15 ■ 711 \ /
эИОД
Рисунок 7 - Параметры микросхемы 1М317Т при ее работе - выходное напряжение стабилизировано
На рисунке 7 осциллогамма выходного напряжения не имеет помеховых элементов, как на рисунке 6, где они представлены в виде локальных столбцов. Это свидетельствует о стабилизации напряжения, снятии дополнительных помех микросхемой , уменьшения риска развития шумов и различных элементов, увеличивающих развитие метрологических отказов. Программное обеспечение FALSTAT является открытым программным ПО, которое может применяться для решения различных задач в области схемотехники и проведения исследований.
Литература
1. Электрорадиоизмерения. Практикум Шишмарёв, В. Ю. Электрорадиоизмере-ния. Практикум: практическое пособие для вузов / В. Ю. Шишмарёв. — 3-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. — 234 с.
2. Метрология и радиоизмерения: учебно-методическое пособие / Т. П. Мишура, К. В. Епифанцев ; С.-Петерб. гос. ун-т аэрокосм. приборостроения. - Санкт-Петербург : Изд-во ГУАП, 2020. - 78 с.
3. Электронный ресурс Программа для моделирования URL https://falstad.com/circuit/circuitjs.html Дата обращения 12.11.2022
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х томах/ The Art of Electronics: Second Edition/ Пер. с англ. под ред. М. В. Гальперина, редакторы: Н. В. Серегина, Ю. Л. Евдокимова. — М.: Мир, 1983. — т. 1: 568 с., т. 2: 590 с
5. Электронный ресурс. Студфайлс. URL https://studfile.net/preview/9774312/page:3/ Дата обращение 30.12.2022
6. Электронный ресурс Википедии. URL Диодный мост — Википедия (wikipedia.org) Дата обращение 30.12.2022
7. Орлов Г.К. Курсовой проект «Разработка регулируемого стабилизированного блока питания прибора на микросхеме LM317T». С.-Петерб. гос. ун-т аэрокосм. приборостроения , 2022 г, С. 10-20.
Investigation of the possibilities of voltage stabilization based on the use of a power supply unit with an LM317T chip Epifantsev K.V.
Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation
The process of voltage stabilization is one of the main tasks of modern industry. GOST 32144-2013, which regulates the quality of electricity, considers the possibility of using high-tech devices that reduce voltage surges, reduce the risk of a defect in devices due to the difference frequency of the supplied voltage. Modern adaptive power supplies are aimed at performing this function. The article examines the volt-ampere characteristics and reliability characteristics of a stabilized power supply unit on an LM317T chip.
Keywords: power supply, voltage quality, microcircuits, operation algorithm References
1. Electroradio measurements. Workshop Shishmarev, V. Yu. Electroradio measurements. Workshop: a practical guide for
universities / V. Yu. Shishmarev. - 3rd ed., Rev. and additional - Moscow: Yurayt Publishing House, 2020. - 234 p.
2. Metrology and radio measurements: teaching aid / T. P. Mishura, K. V. Epifantsev; St. Petersburg. state un-t aerospace.
instrumentation. - St. Petersburg: GUAP Publishing House, 2020. - 78 p.
3. Electronic resource Program for simulation URL https://falstad.com/circuit/circuitjs.html Accessed 12.11.2022
4. Horowitz P., Hill W. Art of circuitry: In 2 volumes / The Art of Electronics: Second Edition / Per. from English. ed. M. V. Galperina,
editors: N. V. Seregina, Yu. L. Evdokimova. - M .: Mir, 1983. - vol. 1: 568 s., vol. 2: 590 s
5. Electronic resource. Studfiles. URL https://studfile.net/preview/9774312/page:3/ Retrieved 12/30/2022
6. Electronic resource of Wikipedia. URL Diode bridge - Wikipedia (wikipedia.org) Retrieved 12/30/2022
7. Orlov G.K. Course project "Development of an adjustable stabilized power supply device on the LM317T chip." St. Petersburg.
state un-t aerospace. instrument making, 2022, pp. 10-20.
