Схема и расчет стабилизаторов напряжения

Обычно стабилизаторы ИВЭ выполняются по компенсационной схеме с мощным составным транзистором в качестве регулирующего элемента. В качестве усилителя сигнала ошибки могут использоваться как отдельные транзисторы, так и ИМС, (либо операционные усилители, либо интегральные стабилизаторы). В техническом задании могут быть оговорены типы применяемых усилителей.

 

Стабилизатор включает в себя следующие структурные элементы:

 

 

1 - регулирующий элемент;

2 - усилитель сигнала ошибки;

3 - источник опорного напряжения;

4 - схема защиты от перегрузок;

5 - выходной делитель напряжения.

 

Расчет ИВЭ необходимо начинать со стабилизатора в соответствии с заданными параметрами выходного тока и напряжения, затем по результатам расчета определяются параметры и рассчитываются фильтр, выпрямитель, типовая мощность и вторичное напряжение трансформатора.

Исходными параметрами для расчета ИВЭ являются напряжение и ток в нагрузке UН., IН., коэффициент стабилизации KСТ., а также коэффициент пульсаций выходного напряжения KП. ВЫХ. Результатом расчета стабилизатора станет его входное напряжение UВХ. СТ. и коэффициент пульсаций входного напряжения K_{П. ВХ}., которые будут служить исходными данными для расчета фильтра. В свою очередь, после расчета фильтра, станут известны величины средневыпрямленного напряжения U_о, которое необходимо получить от выпрямителя. По результатам расчета выпрямителя определяется типовая мощность трансформатора

Расчетная часть

Согласно схеме (приложение 2) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора:

U _{вх min} = U_н + U_{кз min} = 15 + 4 = 19 B,

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 = 19 / 0.9 = 21 В,

U _{вх max} = 1.1 U _{вх сер} = 1.1 19 = 20 В.

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе

U _{к3 max} = U _{вх max} - U_н = 21 – 20 = 1 В.

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется

Р₃ = U_{к3 max} I_н = 10 1 = 10 Вт.

По полученным значениям U_{к3 max}, I_н , Р₃ выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ819Б
Проводимость	NPN
Мощность Рк.макс	2 (100) Вт
Напряжение, Uк.макс	15 А
Усиление, h21Э

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э3 = 33.0 Ом,

m₃ = 1 / h_12Э = 1 / 0.23 = 4.20,

где h_11Э3 – входное сопротивление транзистора, Ом; m₃ – коэффициент передачи напряжения; h_12Э3 – коэффициент обратной связи.

Находим ток базы транзистора VT3

I_Б3 = I_н / h_{21Э3 min} = 1 / 20 = 1.3 10^-3 А.

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

U_{к2 max} = U_{к3 max} - U_бэ3 = 10 – 0.7 = 9.3 В,

где U_бэ3–падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3(0.7В)

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

I_к2 = I_б3 + I_R3 = 5 10^-4 + 1.3 10^-3 = 1.8 10^-3 А.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT2, равняется

Р₂ = I_к2 ´ U_{к2 max} = 1.8 10^-3 9.3 = 7.4 10^-3 Вт.

По полученным значениям U_{к2 max}, I_к2 , Р₂ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ814А
Проводимость	РNP
Мощность Рк.макс	1 (10)Вт
Напряжение, Uк.макс	40 В
Усиление, h21Э

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э2 = 36.36 Ом,

m₃ = 1 / h_12Э2 = 1 / 0.022 = 45.45.

Рассчитываем ток базы VT2

I_Б2 = I_к2 / h_{21Э2 min} = 1.8 10^-3 / 40 = 3 10^-5 А.

Находим сопротивление резистора R3

R3 = (U_н + U_бэ3) / I_R3 = (30 + 0.7) / 1.3 10^-3 =23615 Ом.

Выбираем ближайший по стандарту номинал с учетом рассеиваемой на резисторе мощности

Р_R3 = (U_н + U_бэ3) I_R3 = (30 + 0.7) 1.3 10^-3 = 3.99 10^-2 Вт.

Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 24 кОм ±5%.

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

U_VD2 = 0.7 U_н = 0.7 30 = 21 В.

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон КС213Б;

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 30 / 5 10^-3 = 2000 Ом.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R4, равняется

Р_R4 =0.3U_н I _R4 = 0.3 30 5 10^-3 = 50 10^-3 Вт.

Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 2кОм ±5%.

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

U_к4max = U_н + U_бэ3 + U_бэ2 - U_VD2 = 17.90 В

Задаем ток коллектора VT4 меньшим нежили средний стабилитронаVD2

I _К4 = 4 10^-3 А.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT4

Р₂ = I_к4 U_{к4 max} = 4 10^-3 2.90 = 11.6 10^-3 Вт

По полученным значениям U_{к4 max}, I_к4 , Р₄ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ315Г
Проводимость	NPN
Мощность Рк.макс	0,15Вт
Напряжение, Uк.макс	35 В
Усиление, h21Э	50-350

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э4 = 208,3 Ом,

m₃ = 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.

Ток последовательно соединенных резисторов R5, R6, R7 берем равным 5I_б4 и определяем суммарное сопротивление делителя

R_дел = U_н / I_дел­ = 30/ (5 8 10^-5) = 75000 Ом.

Находим сопротивления резисторов:

R5 = 0.3 R_дел = 0.3 75000 = 22500 Ом;

R6 = 0.1 R_дел = 0.1 75000 = 7500 Ом;

R7 = 0.6 R_дел = 0.6 75000 = 45000 Ом.

Выбираем резистор R5 типа МЛТ- 0.125 22 кОм ±5%, резистор R7 типа МЛТ- 0.125 7.5 кОм ±5%. Резистор R6 выбираем СП3-44 0.25Вт 47кОм.

Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения

U_VD1 = 0.1 U_{вх max} = 0.1 22 = 2.2 В.

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон КС119А;

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.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, равняется

R1 = 0.9U_{вх max} I _R1 = 0.9 22 5 10^-3 = 99 10^-3Вт.

Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 3.9 кОм ±5%.

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT1. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT1

I_к1 = I_к4 + I_б2 = 4 10^-3 + 12 10^-5 =412 10^-5А.

Находим напряжение коллектор-эмиттер VT1

U_к1max = U_{вх max} - U_R2 + U_к4max - U_VD2 = 4.1 В,

где U_R2 = U_VD1 - U_бэ1 – падение напряжения на резисторе R2.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзисторa VT1

Р₁ = U_к1max I_к1 = 4.1 412 10^-5 = 16 10^-3 Вт.

По полученным значениям U_{к1 max}, I_к1 , Р₁ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ361Г
Проводимость	PNP
Мощность Рк.макс	0,15 Вт
Напряжение, Uк.макс	35 В
Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред	0.30 Вт
Усиление, h21Э	50-350

Рассчитываем сопротивление резистора R2

R2 = U_R2 / I_К1 = 1.5 / 412 10^-5 = 364 Ом,

Р_R2 = U_R2 I_К1 = 1.5 412 10^-5 = 618 10^-5 Вт.

Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 360 Ом ±5%.

Рассчитываем основные параметры составного транзистора:

входное сопротивление транзистора

h_{11Э ск} =h_11Э2+h_11Э3h_21Э2min= 36.36 + 33 60 =2016 Ом;

коэффициент передачи напряжения транзистора

m_ск = m₂m₃ / (m₂ + m₃) = 45.4 4.2 / (45.4 + 4.2)=3.84;

выходное сопротивление транзистора

r_ск = m_ск h_{11Э ск} / h_21Э2min h_21Э3min = 0.1723 Ом.

Рассчитываем входное сопротивление источника стабильного тока

R_TD­ = R1 R2 / r _VD1 = 3900 360 / 15 = 57024 Ом

Рассчитываем параметры усилителя обратной связи:

сопротивление нагрузки усилителя

R_К = h_{11Э ск} R_TD / (h_{11Э ск} + R_TD) = 1947.49 Ом;

коэффициент усиления напряжения усилителя

К_u = 0.7 h_21Э4min R_К / (h_11Э4 + h_21Э4min r _VD2) = 338.1

Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе

К_ст = m_скК_uU_н / U_вх = 3.845 338.1 15 / 22 = 886.4,

DU_вих = DU_вх / m_скК_u = 4 / 3.845 338.1 = 12 10^-4,

Рассчитываем коэффициент пульсаций

К_п = DU_вих 100 / U_вх = 12´10^-4 100 / 15 = 0.46%.

Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора будет

R_вых = r_ск / m_скК_u = 0.17 / 3.845 71.13 = 63 10^-5 Ом.

Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

К_ст = 886.4 > К_ст.зад = 800; К_п = 46 < К_п.зад = 50 %.

Найденные параметры удовлетворяют заданным условиям.

Устройства защиты стабилизаторов напряжения от перегрузок можно разделить на встроенные, воздействующие на регулирующий элемент стабилизатора, и автономные, содержащие отдельный ключевой элемент. Обычно к стабилизаторам с защитой от короткого замыкания выходной цепи предъявляется требование автоматического возврата в рабочий режим после устранения перегрузки.

Для расчета принимаем ток срабатывания защиты равный 110% от I_н .

I_{н max} = 1.1 I_н = 1.1 1 = 1.1 А.

Рассчитываем сопротивление R8.

R8 = U_бе5 / I_{н max} = 0.7 / 1.1 = 0.636 Ом.

Рассчитываем мощность проволочного резистора

Р_R8 = U_бе5 I_{н max} = 0.7 1.1 = 0.77 Вт.

Выбираем транзистор VT5 из условия I_к5 = I_б3;

U_{к5 max} =U_бэ3 + R8 I_{н max} = 0.7 + 0.636 1.1 =1.469 B;

P₅ = U_{к5 max} I_б3 = 1.469 6.7 10^-3 = 9.84 10^-3 Вт.

По полученным значениям U_{к5 max}, I_к5 , Р₅ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ814А
Проводимость	PNP
Мощность Рк.макс	1 (10) Вт
Напряжение, Uк.макс	40 В
Усиление, h21Э

 

Выбор элементной базы

 

Обозначение	Наименование	Кол-во, шт.	Примечание
Резисторы
R1, R6	Резистор МЛТ 3,3 кОм 0,5 Вт
R2, R8	Резистор МЛТ 4,7 кОм 0,25 Вт
R3, R4, R9	Резистор МЛТ 1,6 кОм 0,125 Вт
R10	Резистор МЛТ 390 Ом 0,5Вт.
R11, R13	Резистор МЛТ 620 Ом 0,5Вт
R12, R14	Резистор МЛТ 790 Ом 0,5Вт
Конденсаторы
С1, C4	Конденсатор К73-16 0,00043мкФ 63в
С2, C3	Конденсатор К73-16 0,00082мкФ 63в
Полупроводниковые диоды
VD1-VD4	КЦ410А
Стабилитроны
VD5	КС212Ж
Транзисторы
VT1	КТ819Б прп
VT2	КТ814А pnp
VT3	КТ315Г прп
VT4	КТ315Г прп
VT5	КТ361Г рпр
VT6	КТ814А рпр

Список литературы

1. Источники вторичного электропитания/ под ред.Ю.И.Конева.-М.:1990

2. Китаев В.Е., Бокуняев А.А.Проектирование источников электропитания устройств связи.М.:1972

3. Букреев С.С.Силовые электронные устройства. Введение в автоматизированное проектирование -М: Радио и связь,1982

4. Справочная книга радиолюбителя-конструктора / под ред. Н.И.Чистякова. - М.: Радио и связь,1990

5. Диоды, тиристоры, транзисторы и микросхемы широкого применения. Справочник./Б.Ф. Бессарабов, В.Д. Федюк, Д.В. Федюк - Воронеж: ИПФ"Воронеж",1994

6. Устройства электропитания электронной аппаратуры / под ред. В.Ф. Басовского. - К.: Техника,1980

7. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / под ред. Э.Т. Романычевой

8. Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств.- М.:Высш.шк.,1989