Расчет параметрических стабилизаторов напряжения

Так как выходной усилительный каскад питается от источника питания Е_К = В, а остальным каскадам и эмиттерным повторителям необходимы другие значения напряжений источников питания, то необходимо уменьшить напряжение питания выходного каскада для остальных элементов схемы. Для решения этой задачи применяется схема параметрического стабилизатора напряжения:

Принципиальная электрическая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне приведена на рисунке 9:

Рис.9 Принципиальная электрическая схема параметрического стабилизатора

Принцип действия данного стабилизатора основан на стабилизации напряжения на нагрузке (на Rн) на уровне напряжения стабилизации стабилитрона VD1. Данный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, одним из плечей которого является балластный резистор R₁, а вторым - соединенные стабилитрон VD1 и нагрузка Rн. Расчет делителя напряжения проще всего производить, используя закон Ома для участка цепи. т.о. расчет сводится к выбору номинала и мощности балластного резистора R₁.

Исходными данными для расчета являются:

a) Входное напряжение (U_вх =Е_к), в данном случае равное напряжению источника питания всего устройства или напряжению питания выходного каскада.

b) Необходимое напряжение на нагрузке (U_Rн =Ек _{э.п. на VTi} или U_Rн =Ек _{ус на VTi}), в данном случае равное напряжению питания для какого-либо эмиттерного повторителя либо предварительного усилителя.

c) Ток, потребляемый нагрузкой (Iн), в данном случае равный току для какого-либо эмиттерного повторителя либо предварительного усилителя.

1. С учетом исходных данных выбирается стабилитрон с напряжением стабилизации U_VD1 (или U_ст), равным или близким U_Rн , и током стабилизации I_ст, большим примерно в 2 раза, чем ток, потребляемый нагрузкой. Далее, у выбранного стабилитрона сводим основные характеристики в таблицу вида:

Позиционное обозначение	Тип	Uст min, В	Uст max, В	Uст ном, В	Iст, A
VDi

2. Как видно из рисунка, ток протекающий через балластный резистор R₁ является суммой тока стабилизации стабилитрона VD1 - I_ст и тока, потребляемого нагрузкой Iн. Именно этот ток (I_н=I_R1) и следует использовать в дальнейших расчетах. В качестве I_R1 принимается сумма токов протекающих через эмиттерный повторитель или предварительный усилитель:

(А)

Например, для эмиттерного повторителя на VT7-VT8 значение тока I_R1 определяется следующим образом:

I_R1VT7,8=I_ст+I_д + I_б7 + I_к7 + I_к8 (А)

Для эмиттерного повторителя на транзисторах VT5-VT6:

I_R1VT5,6= I_ст+I_д + I_б5 + I_к5 + I_к6 (А)

Для эмиттерного повторителя на транзисторах VT1-VT2:

I_R1VT1,2= I_ст+I_д + I_б1 + I_к1 + I_к2 (А)

Для предварительного усилителя на транзисторах VT3,VT4:

I_R1VT3,4= I_ст+I_д + I_б3 + I_к3+I_б4 + I_к4 (А)

Из закона Ома для участка цепи определяем значение тока, проходящего через балластный резистор:

(А)

3. Значение балластного сопротивления определяется из предыдущего пункта т.е.:

(Ом)

Реальное значение сопротивления R₁ выбирается, как ближайшее к полученному из ряда Е24.

4. Имея значение сопротивления резистора R₁ и ток, протекающий через него, рассчитывается мощность рассеяния резистора R₁:

(Вт)

На рисунке 10 приведена схема стабилизатора напряжения для одного из каскадов усилителя.

Рис. 10 Схема параметрического стабилизатора напряжения

Пример расчета для одного из нескольких, необходимых в схеме, параметрических стабилизаторов:

Выходной усилительный каскад питается от источника питания Е_К = 50 В, а эмиттерный повторитель №1 на транзисторах VT1- VT2 от Е_К = 9 В, то необходимо уменьшить напряжение питания.

1. Выбираем стабилитрон с подходящими параметрами:

В качестве стабилизатора VD1 выбираем:

Позиционное обозначение	Тип	Uст min, В	Uст max, В	Uст ном, В	Iст ном, A
VD1	КС482А	8,5	10,2		0,005

Рассчитаем сопротивление R₄₁:

R₄₃ = (В), где

2. Определяем значение суммы токов, протекающих через балластный резистор:

I_R43 = I_ст + (А)

тогда I_R43 = I_ст + =5+3,314 = 8,314 мА

U_R43 = E_к - 9 = 50 - 9 =41 В

3. Определяем значение сопротивления балластного резистора:

R₄₃ = кОм

Принимаем: R₄₃ = 5,1 кОм

4. Определяем мощность рассеяния резистора R₄₁:

P_R43 = U_R43 ∙ I_R43 = 0,341 Вт

Расчет радиаторов

Радиаторы предназначены для отвода тепла от транзисторов в схеме, при мощности, превышающей 1,5 Вт. Т.о. те транзисторы, на которых рассеивается мощность более 1,5 Вт необходимо вынести за разъем, а также рассчитать для каждого площадь радиатора.

Площадь радиатора определим следующим образом:

(см²) , где

sТ-коэффициент теплоизлучения от теплоотвода в окружающую среду (для дюралюминия sТ = 1,5 ( мВт / см²×°С );

R_Тп-с – тепловое сопротивление переход-среда, определяется следующим образом:

(К/Вт), где

Т_с - температура среды (в техническом задании задан диапазон рабочих температур усилителя – от 10 до 30 °С , выбираем верхнее значение этого диапазона → Т_с=30°С);

Т_п - температура р-п - перехода, (определяется исходя из справочных данных, можно принять в пределах от 125 до 200 °С);

Р_с – мощность, которую необходимо рассеять.

Затем необходимо привести рисунок радиатора с указанием его линейных размеров (в см).

Пример:

В качестве выходных транзисторов VT12 и VT13 выбраны транзисторы типа КТ928Г . У них температура p-n-перехода Т_п = 150°С (данные из справочника). Необходимо рассеять мощность Pк = 19,14 ( Вт ). Произведем расчет теплового сопротивления переход-среда:

К/Вт

Определим площадь радиатора из дюралюминия:

см²

Рисунок: (Необходимо привести рисунок радиатора по тем размерам, которые получились в расчете).