Стабилизатор тока на магнитоуправляемой микросхеме на эффекте Холла



Стабилизатор тока относится к импульсной технике и электротехнике.

В импульсных DC-DC преобразователях необходима гальваническая развязка первичной и вторичной цепи питания. Гальваническая развязка осуществляется с помощью трансформатора и оптопар (оптопары диодные и оптопары транзисторные), которые находятся в цепи обратной связи преобразователя и управляют ШИМ-контроллером преобразователя.

Пример схематической реализации гальванической развязки на оптопаре указанный в [1] приведен на рисунке 1.

Рис. 1

Схема управления ШИМ преобразователем приведенная на рисунке 1 работает следующим образом. Изначально на управляющем входе ШИМ преобразователя состояние логического нуля и энергия со вторичной обмотки трансформатора передается в нагрузку. Одновременно с этим растет напряжение стабилизации стабилитрона VD2, до момента, когда напряжение на стабилитроне достигнет номинального напряжения стабилизации стабилитрона. После этого светодиод оптопары загорается и на управляющем входе ШИМ преобразователя появляется значение логической единицы. После этого срабатывает релейная защита преобразователя и передача энергии в нагрузку прекращается. Тем самым обеспечивается напряжение стабилизации на нагрузке, равное сумме напряжений U _пр (оптрона DA1) и U _ст (напряжение стабилизации стабилитрона VD2), при постоянной нагрузке одновременно стабилизируется и ток.

Актуальность данной работы заключается в поиске схемотехнических решений замены оптопар в цепи обратной связи преобразователя, в связи с отсутствием радиационно-стойких оптопар. Из обзора технической литературы известно, что отечественном рынке появились радиационно-стойкие магнитоуправляемые микросхемы на эффекте Холла [2].

Целью данной работы является проработка схемотехнического решения стабилизатора тока во вторичной цепи DC-DC преобразователя на напряжения от 5 до 10 В, с токами нагрузки от 10 до 15А.

В качестве магнитоуправляемой микросхемы на эффекте Холла предлагается использовать микросхему 1116КП8ПКБ АЕЯР.431160.661 ТУ производства ОАО «Кремний-ЭЛ». Индукция срабатывания микросхемы равна 30 мТл, при этом на выходе микросхемы напряжение изменяется от 2,5 до 5В. В стандартных схемах преобразователей в вторичной цепи питания находится дроссель, микросхему 1116КП8ПКБ предлагается размещать в заранее прорезанном зазоре в поперечном сечении кольцевого сердечника дросселя так как показано рисунке 2.

Рис. 2. 1 — микросхема на эффекте Холла; 2 — сердечник дросселя; 3 — обмотка дросселя

В зависимости от тока в нагрузке будет изменятся плотность потока магнитной индукции в материале сердечника и соответственно в зазоре сердечника, в котором находится микросхема.

Таким образом, в зависимости от требуемого тока стабилизации, рассчитывается индуктивность дросселя, чтобы при данном токе плотность потока магнитной индукции в зазоре была равна 30 мТл. Используя данный метод, можно реализовать работу стабилизатора тока.

Пример схематической реализации гальванической развязки на микросхеме на эффекте Холла приведена на рисунке 3.

Рис. 3

Работа схемы управления ШИМ преобразователя, приведенная на рисунке 3, работает аналогично схеме, приведенной на рисунке 1, с отличием в том, что регулирующим элементом в ней является микросхема на эффекте Холла DA1, компаратор напряжения реализованный на операционном усилителе DA2 и резисторах R1,R2 и R3.

Приведем пример расчета дросселя L1 для тока в нагрузке 15 А при этом плотность потока магнитной индукции в сердечнике должна быть равна 30 мТл. Типовые значения индуктивности при выходных значениях напряжения на нагрузке от 5 В до 10 В и токах в 15 А, находится в диапазоне от 5мкГн до 20 мкГн.

Индуктивность дросселя в мкГн рассчитывается по формуле:

(1)

где А _l — справочный параметр сердечника дросселя, мкГн;

N — количество витков дросселя.

Для кольцевого сердечника с замкнутым магнитным сердечником без зазора параметр A _l в мкГн вычисляется по формуле:

(2)

где абсолютная магнитная проницаемость вакуума, физическая константа, имеющая значение 1.257 10– ³ , мкГн/мм;

— начальная магнитная проницаемость материала сердечника;

— эффективная площадь сечения магнитопровода, мм ² ;

— эффективная длина сердечника, мм.

Для кольцевого сердечника с зазором в магнитном сердечнике параметр A _{l 3} в мкГн вычисляется по формуле:

(3)

где А _l — справочный параметр сердечника дросселя, мкГн;

— эффективная длина сердечника, мм;

— начальная магнитная проницаемость материала сердечника;

— ширина зазора, мм.

При известной индуктивности дросселя L и сердечника находим количество витков дросселя по формуле:

(4)

где А _{l 3} — расчетный параметр сердечника дросселя, мкГн;

— индуктивность дросселя, мкГн.

Величина плотности потока магнитной индукции мТ в сердечнике рассчитывается по следующей формуле:

(5)

где абсолютная магнитная проницаемость вакуума, физическая константа, имеющая значение 1.257 10– ³ , мкГн/мм;

— начальная магнитная проницаемость материала сердечника;

— ток через обмотку, А;

N — количество витков дросселя;

— эффективная длина сердечника, мм.

Проводя расчет по приведенным выше формулам при токе в 15А и плотности потока магнитной индукции равной 30 мТ.

Намоточные данные дросселя следующие:

— сердечник М2000НМ1–17 К28х16х9;

— зазор в сердечнике 2 мм;

— количество витков 10.

Из приведенного выше, можно утверждать о реализуемости схемы управления ШИМ преобразователем. Для разных токов стабилизации аналитически можно рассчитать моточные данные дросселя.

Литература:

1. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: Пер. с англ. под ред. Л. Е. Смольникова. -М.: Энергоатомиздат, 1988. -294 с: ил.
2. Технические условия на микросхему 1116КП8ПКБ АЕЯР.431160.661 ТУ.