Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 2

1. Обзор и анализ источников питания 3

2. Выбор и анализ структурной схемы 4

3. Разработка принципиальной электрической схемы 6

4. Расчет схемы электрической принципиальной 7

4.1 Исходные данные для расчета 7

4.2 Расчет схемы компенсационного стабилизатора 7

4.3 Расчет схемы защиты КСН от перегрузок 15

4.4 Разработка схемы КСН на базе ИМС 17

5. Анализ и оценка ошибок 20

6. Вывод 22

7. Список литературы 23

Приложение 1. Схема электрическая принципиальная

на базе дискретных элементов 24

Приложение 2. Схема электрическая принципиальная

на базе ИМС 26

Приложение 3. ВАХ транзистора КТ827 28

Приложение 4. ВАХ транзистора КТ603 29

Приложение 5. ВАХ транзистора КТ312 30

Приложение 6. Влияние разброса параметров

электронных компонентов 31

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.

Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно себе представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики.

Неотъемлемой частью многих радиоэлектронных и электронных устройств являются стабилизаторы постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других - не только как источники питания, но и как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.

Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться в замен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.

Наиболее характерной чертой дальнейшего научно-технического прогресса в нашей стране является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

2. ВЫБОР И АНАЛИЗ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов [1].

Рис. 2.1

Рис.2.2.

Различие приведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко. Для стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках обычно применяются стабилизаторы напряжения последовательного типа. Их недостатком является то, что при коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу будет приложено все входное напряжение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

Kсти
=
D
Uвх
/ Uвх
:
D
Uвых
/ Uвых
,

где: Uвх
и Uвых
- номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора.

D
Uвх
и
D
Uвых
- изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.

2. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении.

Rвых
=
D
Uвых
/
D
Iвых
, при Uвх
= const.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

h
= Uвых
´
Iвых
/ Uвх
´
Iвх
.

4. Дрейф (допустимая нестабильность) выходного напряжения. Временной и температурный дрейф характеризуется величиной относительного и абсолютного изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.

3.
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

В соответствии с выбранной структурной схемой (рис. 2.1) составляем приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения. После проведения расчета, данная схема будет доработана. Только после полного расчета режимов работы и выбора элементов можно составить окончательный вариант схемы электрической принципиальной компенсационного стабилизатора напряжения.

Рис. 3.1.

Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения и усилителя обратной связи. Роль регулирующего элемента играет комплиментарный транзистор (состоит из 2х
транзисторов
VT2
и
VT3).
Источник опорного напряжения –
VD1R1,R2VT1.
Усилитель обратной связи –
R4VD2VT4,R5R6R7.

4.
РАСЧЕТ СХЕМЫ ЕЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

4.1 Исходные данные для расчета

Номинальное выходное напряжение U н , В	15
Номинальный ток нагрузки Ін , А	5
Коэффициент пульсаций Кп , %	0,01
Коэффициент стабилизации Кст	100
Температура окружающей среды t ср , ° С	+20
Климатические условия	норм.

4.2
Расчет схемы компенсационного стабилизатора

Порядок расчетов приводится в соответствии с методикой приведенной в
[2]
.

Согласно схеме (рис 3.1) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора:

U
вх
min
=
U
н
+ U
кз
min
= 15 + 3 = 18 B
,
(4.1)

где U
кз
min
–
минимальное напряжение на регулирующем транзисторе
VT3
.

Исходя из того, что
VT3
предположительно кремневый, то
U
кз
min
выбираем в пределе 3..5 В.

Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора
±
10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

U
вх сер
= U
вх
min
/ 0.9 = 18 / 0.9 = 20 В , (4.2)

U
вх
max
= 1.1
´
U
вх сер
= 1.1
´
20 = 22 В . (4.3)

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе

U
к3
max
= U
вх
max
- U
н
= 22 – 15 = 7 В . (4.4)

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора
VT3
, равняется

Р3
=
U
к3
max
´
I
н
= 7
´
5 = 35 Вт. (4.5)

По полученным значениям
U
к3
max
, I
н
, Р3
выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	2Т827В
Тип транзистора	NPN
Допустимый ток коллектора, I к доп	20 А
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U к доп	100 В
Рассеиваемая мощность коллектора, P пред	125 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h 21Э3 min	750

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h
11Э3
= 33.0 Ом ,

m
3
= 1 /
h
12Э3
= 1 / 0.23 = 4.20 ,

где
h
11Э3
– входное сопротивление транзистора, Ом;
m
3
– коэффициент передачи напряжения;
h
12Э3
– коэффициент обратной связи.

Находим ток базы транзистора
VT3

I
Б3
= I
н
/
h
21Э3
min
= 5 / 750 = 6.67
´
10-3
А . (4.6)

Определяем начальные данные для выбора транзистора
VT2
. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер
VT2

U
к2
max
= U
к3
max
- Uбэ3
= 7 – 0.7 = 6.3 В , (4.7)

где
Uбэ3

– падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора
VT3
(0.7 В).

Ток коллектора
VT2
состоит из тока базы
VT3
и тока потерь, который протекает через резистор
R3
,

I
к2
= I
б3
+
IR
3
= 5
´
10-4
+ 6.7
´
10-3
= 7.2
´
10-3
А. (4.8)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора
VT2
, равняется

Р2
=
I
к2
´
U
к2
max
=
7.2
´
10-3

´
6.3 = 45.2
´
10-3
Вт. (4.9)

По полученным значениям
U
к2
max
, I
к2
, Р2
выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	2Т603Б
Тип транзистора	NPN
Допустимый ток коллектора, I к доп	300 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U к доп	30 В
Рассеиваемая мощность коллектора, P пред	0.5 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h 21Э2 min	60

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h
11Э2
= 36.36 Ом ,

m
3
= 1 /
h
12Э2
= 1 / 0.022 = 45.45 .

Рассчитываем ток базы
VT2

I
Б2
= I
к2
/
h
21Э2
min
=
7.2
´
10-3
/ 60 = 1.2
´
10-4
А. (4.10)

Находим сопротивление резистора
R3

R3 = (U
н
+ U
бэ3
) /
IR3
= (15 + 0.7) /
5
´
10-4
=31400 Ом. (4.11)

Выбираем ближайший по стандарту номинал с учетом рассеиваемой на резисторе мощности

Р
R3
=
(U
н
+ U
бэ3
)
´
IR3
= (15 + 0.7)
´
5
´
10-4
= 7.85
´
10-3
Вт.
(4.12)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 33 кОм
±
5%.

Источником эталонного напряжения берем параметрический стабилизатор напряжения на кремневом стабилитроне
VD2
из расчета

UVD2
= 0.7 U
н
= 0.7
´
15 = 13.5 В. (4.13)

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон 2С213Б;

I VD2
= 5
´
10-3
А – средний ток стабилизации;

r VD2
= 25 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора
R4
, задавши средний ток стабилитрона (
I R4
= I VD2
)

R4 = 0.3 U
н
/ I R4
= 0.3
´
15 /
5
´
10-3
= 900
Ом. (4.14)

Мощность, рассеиваемая на резисторе
R4
, равняется

Р
R4
=0.3U
н
´
I R4
= 0.3
´
15
´
5
´
10-3
= 22.5
´
10-3
Вт. (4.15)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 910 Ом
±
5%.

Определяем начальные данные для выбора транзистора
VT4
. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора

U
к4
max
=
U
н
+
U
бэ3
+
U
бэ2
-
UVD2
= 2.90 В (4.16)

Задаем ток коллектора
VT4
меньшим нежили средний стабилитрона
VD2

I К4
= 4
´
10-3
А .

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора
VT4

Р2
=
I
к
4
´
U
к
4
max
= 4
´
10-3

´
2.90 = 11.6
´
10-3
Вт
(4.17)

По полученным значениям
U
к
4
max
, I
к
4
, Р
4
выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ312В
Тип транзистора	NPN
Допустимый ток коллектора, I к доп	30 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U к доп	15 В
Рассеиваемая мощность коллектора, P пред	0.22 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h 21Э4 min	50

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h
11Э4
= 208,3 Ом ,

m
3
= 1 /
h
12Э4
= 1 / 0.034 = 29.41

Рассчитываем ток базы
VT4

I
Б4
= I
к4
/
h
21Э4
min
= 4
´
10-3
/ 50 = 8
´
10-5
А. (4.18)

Ток последовательно соединенных резисторов
R5, R6, R7
берем равным 5
I
б4
и определяем суммарное сопротивление делителя

R
дел
=
U
н
/
I
дел­
= 15 / (5
´
8
´
10-5
) = 37500 Ом. (4.19)

Находим сопротивления резисторов:

R5 = 0.3 R
дел
= 0.3
´
37500
= 11250
Ом;

R6 = 0.1 R
дел
= 0.1
´
37500 = 3750 Ом;

R7 = 0.6 R
дел
= 0.6
´
37500 = 22500 Ом. (4.20)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор
R5
типа МЛТ- 0.125 11 кОм
±
5%, резистор
R7
типа МЛТ- 0.125 22кОм
±
5% . Резистор
R6 выбираем СП3-44 0.25Вт 3.3кОм.

Рабочее напряжение стабилитрона
VD1
определяем из соотношения

UVD1
= 0.1
U
вх
max
= 0.1
´
22 = 2.2 В. (4.21)

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон 2С119А;

I VD1
= 5
´
10-3
А – средний ток стабилизации;

r VD1
= 15 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора
R1
, задавши средний ток стабилитрона (
I R1
= I VD1
)

R1 = 0.9 U
вх
max
/ I R1
= 0.9
´
22 /
5
´
10-3
= 3960
Ом. (4.22)

Мощность, рассеиваемая на резисторе
R1
, равняется

R1 = 0.9U
вх
max
´
I R1
= 0.9
´
22
´
5
´