Стабилизатор напряжения

Содержание

Введение	4
1. Обзор литературы по теме	5
2. Выбор описание электрической схемы устройства	14
3. Расчёт элементов схемы	16
4. Методика испытания устройства	19
Заключение	20
Список литературы	21
Приложения. Комплект документов на устройство (эскизный проект)

ВВЕДЕНИЕ

В промышленной сети напряжение не постоянно в течение суток: в зависимости от потребления энергии промышленными предприятиями, электрическим транспортом и расхода в наших квартирах напряжение в сети то возрастает, то убывает. Следо­вательно, при питании аппаратуры от этой сети будет изменяться напряжение и на обмотках трансформатора, а значит, и на вы­ходах выпрямителя и фильтра. Если колебания напряжения сети составляют ±10%, то в таких же пределах изменяется и величина выпрямленного напряжения. При изменении питающего напря­жения нарушается режим работы электронных приборов (тран­зисторов, электронных ламп), что приводит к ухудшению пара­метров всего устройства. Например, в радиоприемнике при из­менении режима работы транзисторов могут возникнуть сильные искажения звука, хрипы, гудение. Такие же явления наблюдаются в нем при питании от химических источников тока, напряжение которых по мере разрядки уменьшается. Чтобы этого не проис­ходило, напряжение питания электронных устройств часто ста­билизируют. Здесь возможны два способа: стабилизация пере­менного напряжения на входе силового трансформатора или ста­билизация выпрямленного напряжения. В первом случае приме­няют специальные феррорезонансные стабилизаторы. Их недос­татками являются большие габариты и вес. Чаще прибегают к стабилизации выпрямленного напряжения, осуществляемой с по­мощью электронных стабилизаторов.

1. Обзор литературы по теме

Простейшим стабилизатором напряжения является стабилизатор на крем­ниевом стабилитроне. Для нормальной работы такого стабилизатора необходи­мо, чтобы ток IСТ
, протекающий через стабилитрон, не был мень­ше, чем IСТ.МИН
, и больше, чем IСТ.МАКС
. При изме­нении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке RH
напряжение, называемое напряжением стабилизации UСТ
стабилитрона, будет оставаться постоянным. Однако для стабилитронов одного и того же типа это напряжение будет неодинаковым. Поэтому в спра­вочниках приводятся обычно минимальная и максимальная гра­ницы значений напряжения или указывается номинальное нап­ряжение стабилизации UCT
и его допустимый разброс ΔUCT
.

177

— о

R1

/Ь-СТ

Рис. 7.22.

Если напряжение UВХ
, поступающее на вход стабилизатора (рис. 1.1, а), в процессе работы может изменяться от некоторого наименьшего значения UBX.МИН
до наибольшего UBX.МАКС
, то при неизменном напряжении на стабилитроне все изменения вход­ного напряжения должны гаситься на резисторе R1. Поэтому ре­зистор R1 называют гасящим, или балластным. Чтобы при этом изменения тока, протекающего через стабилитрон, не выходили за пределы, ограниченные значениями IСТ.МИН
и IСТ.МАКС
с, нужно правильно рассчитать сопротивление этого резистора.

Отношение относительного изменения напряжения на входе стабилизатора (ΔUВХ
/UВХ
) к относительному изменению напря­жения на его выходе (ΔUВыХ
/UВыХ
) называют коэффициентом стабилизации (КСТ
).

Следовательно,

Стабилизатор на кремниевом стабилитроне имеет еще одно свойство. Дело в том, что стабилитрон обладает очень малым соп­ротивлением переменному (пульсирующему) току, называемым дифференциальным сопротивлением — rд.ст
. Чем круче характеристика в области пробоя, тем меньше дифферен­циальное сопротивление стабилитрона. Для большинства мало­мощных стабилитронов rд.ст
=5...15 Ом. Вместе с резистором R1 дифференциальное сопротивление стабилитрона образует дели­тель (рис. 1.1,б), между плечами которого распределяются как постоянная составляющая выпрямленного напряжения, так и его пульсации. Если амплитуду пульсаций на входе стабилизатора обозначить через UП.ВХ
, а на выходе — через UП.ВХ
, то в соответ­ствии с рис. 1.1, б получим

Так как rд.ст
«R1, то rд.ст
/(R1+ rд.ст
)«1 и оказывается, что UП.ВЫХ
«UП.ВХ
.

Снижение пульсаций в выходном напряжении свидетельству­ет об уменьшении коэффициента пульсаций. Таким образом, простейший стабилизатор помимо стабилизации выходного нап­ряжения осуществляет сглаживание пульсаций в выходном нап­ряжении.

Важным параметром стабилизатора является его выходное сопротивление (RВЫХ
), которое определяется как отношение изменения выходного напряжения стабилизатора к изменению тока нагрузки (ΔIH
) при неизменном входном напряжении:

Для простейшего стабилизатора RВЫХ=
rд.ст
.

Рассмотренный стабилизатор напряжения на кремниевом ста­билитроне имеет простое устройство, малое количество деталей и с успехом может применяться тогда, когда ток нагрузки не превышает среднего значения тока, протекающего через стабилитрон и находящегося в пределах между IСТ.МИН
и IСТ.МАКС
. При использовании стабилитронов типа Д808...Д814 ток нагрузки не должен превышать 20...30 мА. При больших токах нагрузки не­обходимы более мощные стабилитроны. Недостатком простей­шего стабилизатора на кремниевом стабилитроне является потеря части напряжения на ограничительном резисторе R1, что приво­дит к снижению КПД стабилизатора. Кроме того, у этого стаби­лизатора сравнительно небольшой коэффициент стабилизации и значительное выходное сопротивление. Поэтому во всех случаях, когда требуется получить стабилизированное напряжение на наг­рузке при большом токе, протекающем через нее, применяют транзисторные стабилизаторы напряжения. В качестве такового без существенного увеличения числа элементов и усложнения схемы используют транзисторный фильтр со своеобразной сле­дящей системой, которая в зависимости от изменения напряже­ния на входе фильтра или на его выходе за счет изменения тока нагрузки изменяет сопротивление транзистора таким образом, что напряжение на выходе этого фильтра — стабилизатора оста­ется неизменным.

Схема транзисторного стабилизатора напряжения изображе­на на рис. 1.2, а. В нее входит рассмотренный уже стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD с ограничительным резистором R1. Нагрузкой стабилизатора служит базовая цепь транзистора VT, в эммитерную цепь которого включена основная нагрузка Rн.

Эмиттерный и коллекторный токи транзистора в десятки раз превышают ток базы, причем Iэ«Iк. Поэтому при токах базы, равных единицам миллиампер, в коллекторной и эмиттерной це­пях протекают токи, измеряемые десятками и сотнями миллиам­пер (мА).

Рассмотрим работу транзисторного стабилизатора. Из рис. 1.2, а видно, что напряжение на нагрузке (UH
) отличается от напряжения на стабилитроне (UСТ
) на напряжение, падающее на эмиттерном переходе UЭБ
транзистора VT2, т. е. UH
=UCT
-UЭБ
. Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, оно сразу передастся и на его выход, что приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузку IH
, и напряжения UH
. Поскольку напряжение на стабилитроне практически не изменяется, воз­растание напряжения на нагрузке вызовет уменьшение напря­жения UЭБ
, тока базы транзистора VT и увеличение сопротивле­ния перехода коллектор—эмиттер. Вследствие увеличения соп­ротивления перехода коллектор—эмиттер на этом переходе будет большее падение напряжения, что повлечет за собой уменьшение напряжения на нагрузке. При уменьшении входного напряжения, наоборот, напряжение UЭБ
повысится, что повлечет за собой уве­личение тока базы, уменьшение сопротивления перехода коллек­тор—эмиттер и напряжения на этом переходе.

Таким образом, в рассматриваемом стабилизаторе напряже­ния транзистор VT совместно с сопротивлением нагрузки RH
об­разует делитель входного напряжения, причем сопротивление транзистора изменяется так, что компенсируются всякие изме­нения входного напряжения. Такой стабилизатор называют ком­пенсационным, а транзистор VT с изменяющимся сопротивлени­ем коллекторного перехода — регулирующим.

Выходное сопротивление этого стабилизатора составляет несколько ом, а коэффициент стабилизации примерно такой же, как у простейшего стабили­затора, выполненного на резис­торе R1 и стабилитроне VD. Но так как ток нагрузки через огра­ничительный резистор не про­текает, а сопротивление пос­тоянному току перехода коллек­тор — эмиттер транзистора VT мало, стабилизатор напряжения на транзисторе обладает более высоким КПД по сравнению со стабилизатором на кремниевом стабилитроне. Если вместо VT использовать составной транзис­тор, состоящий из маломощного транзистора VT1 и транзистора большой мощности VT2 (рис. 1.2, б), то можно осуществить эф­фективную стабилизацию напряжения при токах, протекающих через нагрузку, измеряемых амперами.

При таком включении VT1 и VT2 в качестве тока базы мощного транзистора VT2 используется ток эмиттера маломощного (или сред­ней мощности) транзистора VT1, а током нагрузки стабилитрона VD является ток базы VT1, который в десятки раз меньше тока базы VT2.

Важной особенностью транзисторных стабилизаторов напряже­ния является еще следующее. Напряжение на нагрузке UH
отличает­ся от напряжения стабилизации кремниевого стабилитрона UCT
на напряжение, падающее на переходе эмиттер—база UЭБ
транзистора VT (рис. 1.2, а), т. е. UH
=UCT
-UЭБ
. Для германиевых транзисто­ров напряжение UЭБ
составляет всего 0,2...0,5 В, а для кремниевых — не более 1 В. Поэтому если вместо стабилитрона VD взять стабилит­рон с другим напряжением стабилизации, то изменится и напряже­ние на нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые стабилиза­торы напряжения. Одна из схем такого стабилизатора дана на рис. 1.2, в. В ней кроме ограничительного резистора R1 использует­ся дополнительный переменный резистор RУСТ
, подключаемый па­раллельно стабилитрону VD. Напряжение на нагрузке UH
вместе с напряжением на переходе эмиттер—база UЭБ
транзистора VT равно напряжению UУСТ
, снимаемому с переменного резистора RУСТ
, т. е. UH
+UЭБ
=UУСT
, откуда следует: UH
=UУСТ
-UЭБ
.

При перемещении движка переменного резистора RУСТ
будет изменяться снимаемое с него напряжение и, следовательно, напря­жение на нагрузке UH
. Таким способом можно регулировать нап­ряжение на нагрузке от нуля до значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD (точнее, до значения UCT
-UЭБ
).

Если ток базы регулирующего транзистора VT1 велик, в ста­билизатор вводят дополнительный усилитель постоянного тока. Одна из схем такого стабилизатора приведена на рис. 1.3. Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу тран­зистора VT2, на котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной связи (UOC
). Из рисунка видно, что UOC
=UCТ
+ UЭБ
. Ток, протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА. Сопротивле­ние резистора R1 обычно составляет несколько килоом.

Коэффициент стабилизации стабилиза

тора около 100, а выходное сопротивление составляет десятые доли ома.

Расчет компенсационного стабилизатора напряжения начина­ют с выбора регулирующего транзистора VT1. Максимально до­пустимое его напряжение UКЭ.МАКС
должно превышать наиболь­шее напряжение на входе стабилизатора (UВХ.МАКС
), а максималь­но допустимый ток коллектора IK
.МАКС
- быть больше предель­ного значения тока нагрузки.

Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором VT1, оп­ределяется по формуле:

Значение этой мощности должно составлять не более 75% от максимально допустимой мощности РК.МАКС”
приводимой в спра­вочнике. Если это условие невыполнимо, необходимо выбрать другой транзистор — с большим значением РК.МАКС
.

Определив по справочнику для выбранного транзистора VT1 минимальное значение статического коэффициента передачи тока базы h21
E
, рассчитывают максимальный ток базы, соответ­ствующий максимальному току нагрузки:

Поскольку ток IБ
макс транзистора VT1 является током нагруз­ки простейшего стабилизатора, состоящего из резистора R1 и стабилитрона VD, то по его значению находят сопротивление ре­зистора R1 по условию:

(Uвх.макс
-Uст.мин
)/Iст.мах
≤R1≤(Uвх.мин
-Uст.мин
)/ (Iст.мин
-IБ.макс
)

Сопротивление резистора R2 можно определить по формуле:

R2= Uвых
/Iн
*(0,05...0,1).

Для нормальной работы стабилизатора требуется, чтобы напря­жение на переходе коллектор—эмиттер транзистора VT1 было не менее 1 В, если транзистор VT1 германиевый, и не менее 3 В — если кремниевый.

Cложность построения рассмотренных стабилизаторов возрастает с увеличением требований к параметрам выходного напряжения.

Задача конструирования высококачественных стабилизаторов напряжения значительно упрощается, если ис­пользовать интегральные стабилизаторы. Эти стабилизаторы от­личаются малыми размерами и в то же время позволяют получить стабильные параметры выходного напряжения, малочувствитель­ные к изменениям температуры, влажности и другим внешним воздействиям.

Примером интегрального стабилизатора напряжения, по­лучившего широкое распространение в радиолюбительской прак­тике, является микросхема серии 142, имеющая множество разновидностей. ИМС этой серии позволяют получать фиксированное выходное напряжение, имеют защиту от перегрузок по току, вы­пускаются в металлополимерных корпусах, могут работать при температурах от -45 до +100°С и весят всего 2,5 г. У них всего три вывода—вход, выход и общий. Корпус микросхемы соединен с металлической пластинкой, в которой имеется от­верстие для крепления на терморассеивающем радиаторе. Несмотря на наличие всего трех выводов, в миниатюрном кристалле этих микросхем выполнено более 17 биполярных транзис­торов, 3 диода, два из которых являются стабилитронами, 19 ре­зисторов и 1 конденсатор.

2. Описание электрической схемы выбранного устройства

В результате анализа технического задания было выяснено, что получить требуемые параметры, используя типовые схемы стабилизаторов не возможно, вследствие сложности проектирования: большое количество каскадов (больше 10) и большое количество элементов обвязки. Расчет такого стабилизатора также будет затруднен необходимостью подбора радиоэлементов по параметрам и согласование каскадов. Оптимальным решением в данном случае будет применение интегрального стабилизатора напряжения. Такие стабилизаторы содержат большое количество транзисторов (больше 10) , подобранных по параметрам, каскады включения согласованы. Не маловажным фактором является и то, что основные каскады стабилизации содержаться в одном корпусе. Это обеспечивает термостабильность (работу стабилизатора при температурах -40°С до +100°С).

На рис. 2.1 приведена типовая схема включения стабилизатора с обвязкой, необходимой для работы микросхемы.

На приведенной схеме стабилизатора напряжения резисторы R1, R2 и конденсатор C1 составляют обвязку микросхемы, их номиналы содержатся в справочнике по параметрах стабилизаторов.

Резистор R3 - это резистор защиты стабилизатора от перегрузки выходным током.

Пара резисторов R4, R5 задают порог срабатывания тепловой защиты стабилизатора.

Конденсатор C2 позволяет снизить уровень пульсаций и помех при большом входном напряжении.

Конденсатор С3 – для уменьшения броска тока при подключении нагрузки и снижения пульсаций выходного напряжения.

3. Расчёт элементов схемы

Из рассмотренных в справочниках микросхем выбираем интегральный стабилизатор напряжения зарубежного производства LM317T, параметры которого приведены в табл.3.1.

Табл. 3.1

Параметры микросхемы LM317T

Выходное стабилизированное напряжение UВЫХ СТ , В	12…30
Максимальный ток нагрузки стабилизатора IНАГР MAX , А	1.5
Максимальное входное напряжение стабилизатора UВХ MAX , В	40
Минимальное входное напряжение стабилизатора UВХ MIN , В	20
Минимальная разность напряжений на входе и выходе стабилизатора (UВХ -UВыХ )MIN , В	4
Ток потребления микросхемы IПОТР , мА	4
Коэффициент стабилизации КСТ	50
Кн I , %	0,5
Температурный коэффициент изменения выходного напряжения ТКUВЫХ , %/К	0,5

Как уже говорилось в предыдущем разделе резисторы R1, R2 и конденсатор C1 составляют обвязку микросхемы, их номиналы были получены из справочника по интегральным стабилизаторам:

R1=1.2 кОм

R2=2 кОм

C1=0.1 мкФ

Резистор R3 - это резистор защиты стабилизатора от перегрузки выходным током. Сопротивление этого резистора определяется по формуле (3.1).

R3=(1.25-0.5*IПОТР
-0,023(UВХ
- UВЫХ
))/IПОТР
(3.1)

Подставив необходимые значения в формулу получаем значение сопротивления R3=199 Ом, по которому из ряда Е24, номинальных значений сопротивлений выбираем R3=200 Ом ±2%.

Пара резисторов R4, R5 задают порог срабатывания тепловой защиты стабилизатора. Для отключения интегрального стабилизатора на третьей его ножке должно падать 1/3 выходного максимального напряжения, тогда R4/R5=3. Рассчитаем сопротивления так, чтобы рассеиваемая ими мощность не превышала 0.125 Вт:

R4=(2/3*UВЫХ
MAX
)/PРАСС
(3.2)

R5=(1/3*UВЫХ
MAX
)/PРАСС
(3.3)

Подставив необходимые значения в формулы (3.2) и (3.3) получили значения R4=160 Ом, R5=80 Ом. Из ряда Е24, номинальных значений сопротивлений выбираем R5=82 Ом ±2%, R4=160 Ом ±2%.

Конденсатор C2 позволяет снизить уровень пульсаций и помех при большом входном напряжении. В справочнике интегральных стабилизаторов напряжения советуют ставить конденсатор емкостью 10 мкФ и более. Следовательно С2=16 мкФ.

Конденсатор С3 – для уменьшения броска тока при подключении нагрузки и снижения пульсаций выходного напряжения. Вследствие сказанного конденсатор должен иметь достаточно большую емкость (сотни микрофарад) и должен выдерживать напряжение в раза 1.5-3 больше чем максимальное выходное стабилизированное напряжение на выходе интегрального стабилизатора.

Выбираем С3=470 мкФ ±5% -50 В.

Мощности резисторов схемы рассчитываются по следующей формуле:

PR
=UR
IR
=UR
*UR
/R (3.4)

По схеме видно, что мощности всех сопротивлений не будут превышать 0.125 Вт.

В результате проведенных расчетов, получили следующие номинальные значения элементов:

R1 - МЛТ-0.125- 1.2 кОм ±5%;

R2 - МЛТ-0.125- 2 кОм ±5%;

R3 - МЛТ-0.125- 200 Ом ±2%;

R4 - МЛТ-0.125- 160 Ом ±2%;

R5 - МЛТ-0.125- 82 Ом ±2%;

C1 – К10-7B- 0.1 мкФ ±5%;

C2 – TESLA-16 мкФ ±5%;

C3 – TESLA-50 мкФ ±5%;

DA1 –LM337T;

4. Методика испытания устройства

Методика испытаний данного устройства состоит в замере напряжений на входе и выходе стабилизатора напряжения. Измерения будем проводить при помощи осциллографа, подключенного соответствующими каналами ко входу и выходу стабилизатора напряжения. Для получения входного напряжения для стабилизатора используем понижающий трансформатор (как наиболее простое и распространенное решение), со вторичной обмотки которого снимаем переменное напряжение, которое выпрямляем при помощи диодного моста (двухполупериодного) и подаем на вход рассчитанного стабилизатора, U=20 В. К выходу стабилизатора подключаем нагрузку, рассчитанную по формуле (4.1), Rнагрузки
=10 Ом.

Rнагрузки
=Uвых/ Iвых (4.1)

Схема испытаний приведена в приложении.

Заключение

В данной курсовой работе была рассмотрена методика разработки электронных устройств на стабилизатора напряжения на интегральной микросхеме, рассмотрены основные условия стабилизации напряжения и методы их реализации. Согласно техническому заданию была выбрана и рассчитана схема стабилизатора напряжения.

В результате проделанной работы была создана следующая документация:

- пояснительная записка;

- схема электрическая принципиальная и перечень элементов стабилизатора напряжения;

- чертёж печатной платы и компоновочный эскиз;

- схема испытаний устройства.

Данный стабилизатор может применяться в составе постоянных источников питания радиоаппаратуры.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борисов В.Г. Кружок радиотехнического конструирования: Пособие для руководителей кружков. — М.: Просвещение, 1986.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника.

3. Терещук Р.М., Терещук К.М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: справочник радиолюбителя. — Киев: Наукова думка, 1988.

4. Полупроводниковые приборы: транзисторы, справочник под ред. Горюнова Н.Н. М.: Энергоатомиздат, 1983.

40

35

3:1

2 :1