Расчет источника электропитания

Рис.4.1 – Схема источника электропитания

4.1 Расчет мощного КСН с малыми пульсациями

Исходныеданные:

Напряжение на нагрузке: U _н = 12,5 В;

Ток нагрузки: I _н = + + = 10+ + = 20,87 мА;

Где:

= I_R1 + I_кVT1 = I_R1 + (I_эVT1 - I_бVT1) = + ( - 0,0002) = 10 мА – ток, питающий входной усилительный каскад с эмиттерным повторителем.

= I_R1 + I_Rк = + = 2,07 мА – ток, питающий промежуточный усилительный каскад с общим эмиттером

= I_R1 + I_кVT3 = I_R1 + (I_эVT3 - I_бVT3) = 0,0006+ (14,2 мА - 195 мкА) =

= 8,8 мА – ток, питающий выходной усилительный каскад с эмиттерным

Диапазон регулирования: D_р = 36 %.

Заданные технические характеристики обеспечивает стабилизатор с высоким коэффициентом стабилизации. Выбираем интегральный ОУ с малым температурным коэффициентом напряжения смещения (например, К140УД14А).

Расчет стабилизатора ведется в следующей последовательности.

1) Определение мощности нагрузки Р_н.

Р_н= U _н^. I _н= 12,5^.20,87 = 260,9 мВт.

2) Определение номинальной мощности стабилизатора Р₀.

Р₀ > К_з^. Р_н,

где К_з =(1,5...3) – коэффициент запаса мощности.

Принимаем К_з=2,5; Р₀=2,5^.260,9 =652,25 мВт.

3) Выбираем Е_нест=(1,5... 3)U_н. Принимаем Е_нест=2^.Uн=2^.12,5=25 В.

4) Определяем минимальное U_min и максимальное U_max напряжения на выходе стабилизатора

U_min = U_н - DU;

U_max = U_н + DU,

Здесь DU = D_p^. U_н/100; DU = 50^.5/100 = 2,5 В;

Где D_p=0,36 - Диапазон регулирования стабилизированного напряжения, , %

U_min = U_н – (U_н* D_p) = 12,5В – (12,5 В*0,36) = 8 В

U_max = U_н + (U_н* D_p) = 12,5В + (12,5 В*0,36) = 17 В

5) Исходя из величины U_min = 8 В параметрический стабилизатор опорного напряжения реализуем на кремниевых стабилитронах КС433А. Эти стабилитроны включаем через ограничивающий резистор в прямомнаправлении, обеспечивающий необходимый ток стабилизации стабилитрона. Выбранный стабилитрон имеет напряжение стабилизации U_ст = 3,3 В при токе стабилизации I_ст = (3...229) мA. Для обеспечения минимального значения выходного напряжения U_min = 8 В в параметрическом стабилизаторе используем два последовательно соединенных стабилитрона. В этом случае опорное напряжение U₀=2^. U_ст = 2^. 3,3 = 6,6 В < U_min.

6) Выбираем ток стабилизации стабилитронов I_ст.=10 мA. Поскольку стабилитроны питаются выходным напряжением U_н, резистор R4 должен обеспечить напряжение U₀ при U_н=U_min= 8 В.

Поэтому величину резистора R4 определяем из выражения:

R4 = (U_min-U₀)/I_ст=8-6,6/10^.10^-3 = 140 Ом

Выбираемпосправочнику: R4 =150 Ом.

7) Определяем максимальный ток стабилизации стабилитрона I_ст1 при U_н=U_max.

I_ст1=U_max/R4=17/150 = 113 мА<I _ст.max.

8) Определяем мощность P4 резистора R4

R4= (I_ст1)^{2 .}R4=10^2.10^{-6 .}150= 15 мВт.

Выбираемпосправочнику: R4 = ОМЛТ-0,125-150±5%.

9) Задаваясь током отрицательной обратной связи I_ос, равным 0,1 мA, определяем суммарное сопротивление обратной связи R_oc = (R₁ +R₂ +R₃)

R_oc =U_max/ I_ос=17/10^-4=170 кОм.

10) Определим минимальный К_min и максимальный К_max коэффициенты усиления ОУ, обеспечивающие выходное напряжение U_min и U_max соответственно

К_min.=U_min/U₀=8/6,6=1,2;

К_max.=U_max/U₀=17/6,6=2,6.

11) Определяем соотношение резисторов R₁, R₂, R₃ , от которых зависят полученные коэффициенты усиления К_min. и К_max.

K_min=1+R1/(R2+R3) - верхнее положение движка резистора R2;

К_max.=1+(R1+R2)/R3 - нижнее положение движка резистора R2.

Из этих уравнений находим:

(К_min-1)=R1/(R2+R3)=1,2-1=0,2;

(К_max-1)=(R1+R2)/R3=2,6-1=1,6.

Составляем систему уравнений:

R1/(R2+R3) = (К_min-1);

(R1+R2)/R3= (К_max-1);

(R₁ +R₂ +R₃)= R_oc.

Решая данную систему уравнений, получаем :

R1=R_oc[(K_min-1)/K_min];

R2=R_oc{[(K_max-1)/K_max]-[(K_min-1)/K_min]};

R3=R_oc[1-(K_max-1)/K_max];

R1=170(0,2/1,2)= 28,3 кOм;

R2=170 (1,6/2,6)-( 0,2/1,2)=75,7кОм;

R3=170 [1-(1,6/2,6)]=65,4 кОм.

Значения резисторов R₁, R₂, R₃, выбираем по справочнику:

R1 = 30 кОм R2 = 75 кОм, R3 = 68 кОм.

Определяем мощности резисторов R1, R2, R3:

P₁= I²_oc * R₁= (0,1*10^-3)²*30*10³= 300 мкВт;

P₂= I²_oc * R₂= (0,1*10^-3)²*75*10³= 750 мкВт;

P₃= I²_oc * R₃= (0,1*10^-3)²*68*10³= 680 мкВт.

Тип резисторов выбираем по справочнику:

R1- ОМЛТ - 0,125 - 30кОм ± 5 %;

R2- СПЗ-9а - 0,5 - 75кОм± 5 %;

R3- ОМЛТ - 0,125 - 68кОм ± 5 %.

12) Выбираем тип выходного транзистора VТ1.

В режиме холостого хода на выходе стабилизатора ток через резистор R5 соответствует обратному эмиттерному току I_эо транзистора VТ1. Последний должен обеспечить номинальный ток нагрузки I_н. При большом значении коэффициента усиления тока базы (b_тр1) коллекторный ток I_ко практически равен току эмиттера I_эо.

Определяем требуемый коэффициент передачи тока выходного транзистора b_тр определяется отношением:

b_тр= I_н*К_з/ I^оу _вых,

где:

I^оу _вых = (3...5) мA - выходной ток ОУ;

К_з = (1,5…3) – коэффициент запаса по току

Полагая I^оу _вых = 3 мA , и К_з = 2,5; получаем: b_тр=20,87 *2,5/ 3 = 17,4.

Для обеспечения полученного значения b₀ в качестве выходного транзистора VT1 используем составной транзистор КТ815А, который имеет следующие характеристики:

I_ко = 50 мкA; b₀=10 - 30.

13) Определяем величину резистора R5.

R5=U_max/ I_ко=17 В/50^.10^-6 = 340 кОм.

Определяем мощность резистора R5:

P₅= I²_ко * R₅= (50*10^-6)²*340*10³= 1700 мкВт.

Тип резистора выбираем по справочнику:

R5- ОМЛТ - 0,125 – 360 кОм ± 5 %;

14) Определяем величины конденсаторов С1, С2:

Конденсатор С1 является элементом емкостного фильтра источника питания Е_нест. Его величина определяется по номограммам.

Для заданного тока нагрузки I_н = 21 мА принимаем С1=200 мкФ.

Выбираем по справочнику: С1-К56-200мкФ х50В 10%.

Величина конденсатора С2 определяется из условия: R_oc^.C2 1/f_п, где f_п- частота пульсаций выпрямленного напряжения.

Если напряжение Е_нест формируется на выходе двухполупериодной схемы выпрямления, либо диодного моста, то частота пульсаций f_п в два раза превышает частоту питающей сети f_c (f_п=2f_c).

В этом случае имеем:

С2 1/2f_cR_oc; 1/2f_cR_oc=1/100^.170^.10³=0,17 мкФ.

Принимаем С2=0,2 мкФ.

Выбираем по справочнику: C2-КМ-5 - 0,2х25В 10%.

В случае однополупериодной схемы: f_п=f_c; С2 1/f_cR_oc.

Принимаем 1/f_cR_oc=1/50^.170^.10³=0,34 мкФ. Выбираем С2=0,33 мкФ.

Выбираем по справочнику: C2-КМ-6 - 0,33х25В 10%.

R1	30 кОм
R2	75 кОм
R3	68 кОм
R4	140 Ом
R5	360 кОм
C1	200 мкФ
C2	0,2 мкФ

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения:

Расчет реального коэффициента усиления транзисторного усилителя:

Рис.4.2 – Общая схема усилителя с источником электропитания

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проанализирована схема усилительного устройства, результаты которого показали, что эта схема имеет типовую структуру, состоит из стандартных каскадов, в каждом их которых используются транзисторы p-n-p типа. Как и входной, выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель, промежуточный имеет схему с общим эмиттером.

Применительно к исходным данным, используя предложенные формулы, приведен расчет значений каждого элемента усилительного устройства. Были выбраны значения резисторов и конденсаторов в соответствии со стандартом спецификаций, которые были использованы в процессе моделирования.

Используя профессиональную программу ISIS PROTEUS 8.1, была смоделирована схема трехкаскадного усилителя. Результаты моделирования указали на работоспособность данной схемы, а измерительные приборы, которые были использованы в процессе моделирования, показали правильность выбора режимов работы активных элементов. По амплитудам входных и выходных напряжений был определен коэффициент усиления смоделированного устройства, который по своим значениям близок к заданному значению.