Порядок выполнения домашнего задания.

СТАРООСКОЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А.А. УГАРОВА

(филиал) Федерального государственного автономного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет

«МИСиС»

Уварова Л.В.

Основы преобразовательной техники

Методические указания к выполнению

Домашнего задания

на тему: «Компенсационные стабилизаторы напряжения»

Для студентов направления подготовки

Электроэнергетика и электротехника

(для всех форм обучения)

 

 

Одобрено редакционно-издательским советом института

Старый Оскол

Введение.

 

Современные электронные устройства выполняются с использованием интегральных схем, требующих для своего питания постоянные напряжения низкого уровня. При этом отклонения не должны превышать ± 5÷10 %. Реальные параметры применяемых на практике первичных источников питания этим требованиям не отвечают, поэтому применение источников вторичного питания согласующего частоты, уровни и стабильности напряжения необходимо.

В данном методическом пособии в соответствии с программой курса «Основы преобразовательной техники» рассматриваются основные схемы и расчет параметрических стабилизаторов, которые входят в один из функциональных блоков источников вторичного электропитания и относятся к устройству согласования стабильности напряжения.

Составлены практические задания и иллюстрирующие их примеры.

Цели и задачи домашнего задания.

 

Методическое пособие реализует учебные и практические цели по овладению методикой и особенностями расчета схем параметрических стабилизаторов, а также умение использования справочного материала.

 

Содержание домашнего задания

 

Теоретическая часть

 

Общие сведения, электрические принципиальные схемы

стабилизаторов.

Параметрический стабилизатор напряжения (тока) – это устройство, автоматически обеспечивающее поддержание с требуемой точностью напряжения (тока) на потребителе (нагрузке) при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Дестабилизирующие факторы: изменение входного и выходного параметра (вх. напряжение, ток нагрузки), температура окружающей среды, давление, воздействие механических нагрузок, ионизирующее излучение, временной дрейф.

Параметрический метод стабилизации – метод при котором стабилизация осуществляется за счет нелинейности одного из параметров на который воздействуют дестабилизирующие факторы. Нелинейными активными элементами являются стабилитроны, термисторы, пассивными – реактивные сопротивления.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов на рабочем участке являются:

1. Номинальное напряжение стабилизации U_ст при определенном номинальном токе I_ст и окружающей температуре T_с(см. рис. 1).

 

Рис.1 Вольт-амперная характеристика стабилитрона.

 

Примечание: индекс “m” означает значение параметра, индекс “м” – максимальное.

2. Дифференциальное (динамическое) сопротивление, определяемое как

(1)

3. Абсолютный и относительный коэффициенты напряжения:

и

, (2)

где в [ ] в [ ] - изменение напряжения стабилитрона от температуры.

При линейной аппроксимации характеристик напряжение U_СТ при любых точках и температурах будет равно:

(3)

Дифференциальное сопротивление R _д, измеренное на постоянном токе, отличается в большую сторону от дифференциального сопротивления R _{д ~}, определенного на переменном токе, когда быстрое изменение тока из-за тепловой инерции практически не изменяет теплового режима стабилитрона. Поэтому, у стабилитронов с положительным температурным коэффициентом к величине R _{д ~} , которая обычно приводится в справочниках, необходимо добавить величину тепловой составляющей дифференциального сопротивления:

, (4)

где R_t – тепловое сопротивление кремниевых стабилитронов; R_t измеряется в ⁰С/мВт, U_СТ в В, - в мВ/⁰С. Таким образом:

(5)

Уточненное R_d иногда обозначается .

Основные данные кремниевых стабилитронов приведены в табл. 2. В справочниках величина R _{д ~} обозначается также как r­_ст, нормируется для определенных токов.

В области напряжений стабилизации 6 ÷ 15 В зависимость может быть приближенно аппроксимирована следующей зависимостью:

, (6)

где U_СТ - в В, - в мВ/⁰С.

В зависимости от типа стабилитрона величины и могут быть положительными, отрицательными и иметь знак “±”, который означает, при определенных токах стабилизации коэффициенты положительны, а при других – отрицательны. Например, стабилитрон Д 818Е имеет при I_СТ = 5мА = -0,2мВ/⁰С, а при токе I_СТ = 15мА = +0,2мВ/⁰С.

для термокомпенсирующих диодов (т.е. включаемых встречно стабилитронам) равно

= - (2 ÷ 15)мВ/⁰С.

Основные схемы параметрических стабилизаторов изображены на рис. 2, где

а) однокаскадный параметрический стабилизатор;

б) двухкаскадный параметрический стабилизатор;

в) мостовой ПС;

г) ПС с умощнением.

Схема а) представляет собой простейший однокаскадный стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD1. Вместо одного стабилитрона может быть включено несколько последовательно включенных (как правило, одного типа), а также с целью термокомпенсации в цепь может быть включено несколько диодов в прямом направлении.

а) б)

В) г)

Рис. 2

В этом случае

(7)

где n₁ , n₂ – количество включенных последовательно диодов и стабилитронов, U_VD1 – напряжение на одном диоде. В схему входит одно активное сопротивление R_г, состоящее, в общем случае, из внешнего сопротивления и внутреннего сопротивления источника входного напряжения.

Схема б) представляет собой двухкаскадный параметрический стабилизатор, у которого обычно стабилитрон VD3 имеет малый температурный коэффициент напряжения. Здесь должно соблюдаться следующее условие:

U_VD3 < U­_VD1 + U_VD2

 

Схема в) представляет собой мостовую схему стабилизатора, состоящую из однокаскадного параметрического стабилизатора, аналогично схеме а), и резистивного делителя. В этом случае напряжение U_Н = U_VD1 - U_R2, что улучшает качественные характеристики стабилизатора. Улучшение, в частности, заключается в меньшем наклоне выходной характеристике при изменении U_ВХ (см. рис.3 )

 

Рис.3

 

Схема г) представляет собой параметрический стабилизатор с умощнением, где в качестве гасящего резистора используется транзистор VT1. Входным сигналом этого транзистора (U_ЭБ) является разность между U_VD1 и U_Rr2, в зависимости от которой изменяется сопротивление коллектор – эмиттер. VD2 является стабилитроном однокаскадного параметрического стабилизатора.

Параметрические стабилизаторы характеризуются следующими основными параметрами:

коэффициентом нестабильности

(8)

выходным сопротивлением

(9)

коэффициентом стабилизации

(10)

температурными коэффициентами

(11)

Однокаскадная схема а) с выходным напряжением 8 ÷ 10 В и током нагрузки 5мА без термокомпенсации может обеспечить К_СТ = 50 ÷ 80 и R_ВЫХ = 8 ÷15 Ом. При термокомпенсации с помощью p-n переходов R_ВЫХ увеличивается до 20 ÷ 40 Ом, а К_СТ уменьшается в 3 ÷ 4 раза.

Двухкаскадные стабилизаторы (схема б) могут обеспечить коэффициент стабилизации до 500 ÷ 800 и R_ВЫХ до 15 ÷ 20 Ом.

Мостовая схема в) обеспечивает К_СТ в 2 ÷ 4 раза лучше, чем двухкаскадная, но R_ВЫХ у нее в 1,5 ÷ 2 раза больше.

2.2 Постановка задания и его варианты

 

Для выданного варианта задания по исходным данным / табл.1 / рассчитать наиболее распространенные схемы параметрических стабилизаторов напряжения

 

Варианты для расчета параметрических стабилизаторов (ПС)

Таблица 1.

№ вар	D евх ± %	Uвых В	DUвых ± В	Iн.мах mA	Iн.min mA	Rвых Ом	Кст	DUвых.u ±%	DUвых.i ±%	DUвых.т ±%	DТС 0С
	±10		±1,0			¾		¾	0,4	±2,5	+30 -40
	±5		±1,1					¾	¾	±2,0	+25 -35
	±10		±1,1			¾		¾	0,5	±1,0	±25
	±5		±1,2					¾	¾	±1,25	+30 -40
	+5 -10		±1,3			¾		¾	0,3	±2,5	±30
	+10 -15		±1,4					¾	¾	±2,0	+25 -40
	±7		±1,5			¾		¾	0,4	±1,0	+25 -35
	+7 -10		±1,0			¾		¾	0,35	±1,25	±25
	+5 -10		±1,0					¾	¾	±2,5	+30 -40
	+5 -18		±1,1					¾	¾	±2,0	±25
	+7 -10		±1,2			¾		¾	0,4	±1,0	+30 -45
	+10 -15		±1,25			¾		¾	0,5	±1,25	±25
	+15 -10		±1,3			¾		¾	0,5	±2,5	+30 -40
	±10		±1,4				¾	0,3	¾	±2,0	±30
	±5		±1,5			¾		¾	0,4	±1,5	+30 -25
	±10		±1,0				¾	0,4	¾	±1,0	+30 -40
	±5		±1,0			¾		¾	0,5	±1,0	±25
	±7		±1,2				¾	0,15	¾	±1,25	+25 -35
	+10 -15		±1,25			¾		¾	0,3	±2,0	±25
	+5 -10		±1,3		6,5		¾	0,18	¾	±2,5	±30
	+5 -18		±1,35			¾		¾	0,4	±1,0	+25 -40
	+7 -10		±1,4				¾	0,4	¾	±1,25	+30 -35
	+10 -15		±1,5			¾		¾	0,35	±2,0	+30 -40
	+5 -10		±1,0					¾	¾	±2,5	+25 -35
	±5		±1,0			¾		¾	0,3	±1,0	±25
	±10		±1,2					¾	¾	±1,25	+30 -40
	±7		±1,25			¾		¾	0,4	±2,0	±30
	+5 -7		±1,3					¾	¾	±2,5	+25 -40
	+7 -5		±1,4			¾		¾	0,5	±1,0	+25 -35
	±10		±				¾	0,4	¾	±1,25	+30 -45

 

 

Условные обозначения: U_вых - выходное напряжение;

DU_вых - его отклонение;

I_н.мах , I_н.min- максимальный и минимальный ток нагрузки;

R_вых - выходное сопротивление;

К_ст - коэффициент стабилизации по напряжерию;

DU_вых.u, DU_вых.i, DU_вых.т - допустимые отклонения выходного напря

жения при изменении напряжения, тока и

температуры;

а_п.вх, а_п.вых- коэффициент пульсаций входного и выход-

ного напряжений.

Примечание: Для всех вариантов а_п.вх £ 0,05, а_{п вых} £ 0,01.

Четные варианты – расчет на оптимальный к.п.д. При расчете ПС данные графы “2” могут быть получены, исходя из колебаний входного напряжения (DU_с) сети в соответствии с вариантом. U_п ~ определяется из указанного ныне соотношения, т.е. а_п.вх £ 0,05. Т_с = 20⁰С - температура окружающей среды.

 

Порядок выполнения домашнего задания.