Расчет стабилизаторов напряжения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Методическое пособие

по расчёту источников питания

с линейными стабилизаторами

Донецк – 2005

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Методическое пособие

по расчёту источников питания

с линейными стабилизаторами

Утверждено

учебно – издательским

Советом ДонНТУ

Протокол №5 от 8.12.2005

Рассмотрено на заседании

кафедры АТ,

Протокол №8 от 30.08.2005

Донецк – 2005

УДК 621.375

Методическое пособие по расчёту источников питания с линейными стабилизаторами предназначено для выполнения расчётных работ, курсовых и дипломных проектов студентами специальности 7.091401 «Системы управления и автоматика» и 7.092401 «Телекоммуникационные системы» / Константинов С.В. - Донецк, ДонНТУ, 2005г.

Приведены методы и примеры упрощенного расчёта источников питания с линейными стабилизаторами напряжения: параметрическими, на транзисторах и ИМС, с увеличением тока и напряжения.

Даны примеры упрощенного расчета выпрямителей.

Пособие предназначено студентам электротехнических специальностей, которым приходится рассчитывать стабилизированные источники питания.

Составитель Константинов С.В.

Разработку примеров расчёта и компьютерный набор основного текста выполнили студенты группы ТКС-02б Ткаченко Д.В. и Федянин А.С.

Подбор и набор справочных данных и общее оформление выполнили студенты группы АТ-01а Бояров Д.В., Васильев С.В. и Тимонин Ю.А.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………..…6

1. РАСЧЕТ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ………………………………..…...7

1.1 Параметрический стабилизатор………………………………………………..….7

1.2 Параметрический стабилизатор с транзисторным усилением……………..……8

1.3 Транзисторный стабилизатор с температурной компенсацией………………..12

1.4 Стабилизатор на ИМС………………………………….…………………………15

1.5 Стабилизатор на ИМС с увеличением тока……………………………………..16

1.6 Стабилизатор на ИМС с увеличением напряжения…………………………….18

2. РАСЧЕТ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ……………………………………..20

2.1 Однополупериодный выпрямитель……………………………………………...20

2.2 Схема удвоения……………………………………………………………………21

2.3 Двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом……………………….22

2.4 Мостовой выпрямитель…………………………………………………………...24

2.5 Бестрансформаторный выпрямитель…………………………………………….25

3. РАСЧЕТ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ……………………………………………….28

3.1 Источник питания на параметрическом стабилизаторе с транзисторным усилением………………………………………………………………………………...28

3.2 Расчет источника питания со стабилизатором на ИМС………………………..32

Литература…………………………………………………………………………… 35

Справочные материалы……………………………………………………………36

Приложение А. Стабилитроны и стабисторы…………………………………...36

Приложение Б. Интегральные стабилизаторы напряжения……………………41

Приложение В. Транзисторы…………………………………………………….43

В.1 Маломощные транзисторы……………………………………………….45

В.2 Транзисторы мощные НЧ………………………………………………...51

В.3 Транзисторы мощные ВЧ………………………………………………...56

В.4 Чертежи корпусов транзисторов…………………………………………59

Приложение Г. Резисторы………………………………………………………..67

Приложение Д. Конденсаторы…………………………………………………...74

Д.1 Конденсаторы электролитические……………………………………….74

Д.2 Конденсаторы c органическим диэлектриком…………………………..82

Приложение Е. Диоды и мосты………………………………………………….89

Е.1 Выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности……….89

Е.2 Выпрямительные блоки и сборки………………………………………..95

Е.3 Чертежи корпусов диодов и сборок………………….…………………..99

Приложение Ж. УГО…………………………………………………………….108

ВВЕДЕНИЕ

Источники питания (ИП) малой мощности с линейными стабилизаторами, как правило, имеют структуру, показанную на рисунке В.1

Рисунок В.1 – Структура ИП

В данном учебном пособии рассматриваются упрощенные методы расчёта стабилизаторов, С-фильтров (чаще всего применяемых в маломощных источниках питания), и выпрямителей нескольких типов (с трансформаторами и без них).

Такие источники питания применяются в различных устройствах автоматики и связи, хотя в последнее время их начинают теснить более экономичные импульсные преобразователи. Всё же линейные ИП, имеющие лучшие качественные показатели (коэффициент пульсаций), будут находить свои области применения.

РАСЧЕТ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

1.1 Параметрический стабилизатор

Порядок расчёта

Задано : и . Если не задано, принимаем = 0.

Рисунок 1.1 – Схема параметрического стабилизатора

1. Выбираем КС : по напряжению и току .

2. Учитывая, допустимое изменение напряжения сети (+10 и -15%) и пульсации (примерно 5%), составим уравнения, учитывающие требования к стабилизатору : при и ток через стабилитрон должен быть не менее , а при и , ток через стабилитрон не должен превышать :

Решив эти уравнения, получим и . При этом, следует помнить, что полученное значение - минимально возможное, т.е. выбирать нужно больше.

Если получится слишком большим, то нужно вводить другой стабилитрон с большей разницей токов.

3. Коэффициент стабилизации определяем по формуле

,

где - динамическое сопротивление стабилитрона (берется из справочника).

Пример расчёта

Задание:Рассчитать параметрический стабилизатор, если , .

1. Выбираем КС133А (приложение А): , , , .

2. Составляем уравнения для расчета и

.

;

Умножаем второе уравнение на , и вычитаем первое уравнение из второго

; ;

.

Выбираем . Тогда

Принимаем .

Проверяем второе уравнение .

Получаем .

Проверяем первое уравнение

не выполняется

Принимаем .

Проверяем неравенства

Условия выполнены! , .

3. Рассчитаем коэффициент стабилизации

Согласно расчету коэффициент стабилизации низкий из-за большого динамического сопротивления стабилитрона.

1.2 Параметрический стабилизатор с транзисторным усилителем

Параметрические стабилизаторы применяют при небольших (менее 100мА) токах нагрузки. При токах нагрузки более 100мА, как правило, применяют транзисторные повторители.

При токах 100…300мА достаточно простого повторителя, при больших (до 1А) удобно использовать схему Шиклаи, т.к. ее выходное сопротивление меньше, чем у схемы Дарлингтона. Кроме того, в эту схему легко вводится защита по току, не увеличивая выходного сопротивления.

Если схема Шиклаи не дает требуемого усиления тока, то выходной транзистор можно заменить схемой Дарлингтона.

Ниже приведен порядок расчета источника питания с последовательным стабилизатором на схеме Шиклаи. Другие последовательные стабилизаторы с эмиттерным повторителем рассчитываются аналогично.

Порядок расчёта

Задано:U_вых I_{нагр max}

1. Выбрать схему (приведена ниже)

Рисунок 1.2 – Схема параметрического стабилизатора с транзисторным усилителем

2. Для выбора VT1 и VT2 задать U_d (желательно с запасом) U_d= 2,5U_вых.

3. Выбрать VT1 (по I_нагр и U_d) с максимальным усилением тока (h_21Э).

4. Определить R₁ и I_KO транзистора VT1.

;

– (0,1В – напряжение на переходе эмиттер-база закрытого транзистора).

5. Определить

,

где – (0,6В – напряжение на переходе эмиттер-база открытого транзистора).

6. Выбрать VT2 по U_d и I_k .

7. Определить ток базы VT2

.

Этот ток является максимальным током нагрузки параметрического стабилизатора i_{н max}.

8. Определить требования к параметрическому стабилизатору и выбрать КС. Выписать .

9. Определить R₂ и U_{d расч} , решив систему уравнений:

	где КП = 0,05…0,15

10. Выбрать .

11. Уточнить значение R₂. Выбрать по справочнику.

Пример расчёта.

Параметры стабилизатора, которые необходимо получить:

1. Выбираем схему (рис. 1.2)

2. Для выбора VT1, VT2 задаемся

3. Выбираем VT1 (по I_нагр и U_d):

pnp транзистор КТ818Б с такими параметрами (приложение В.2):

Р_к=60Вт;

U_кэ=50В;

h_21э=20;

I_кб0=1мА;

I_kmax=10A.

4.Определим R1 по I_ko транзистора VT1:

5.Определяем:

6. Требования к VT2:

U_кэ>25B; i_kmax>0,106А; = 2,5 Вт

Выбираем транзистор КТ815А с параметрами (приложение В.1):

Р_к=10Вт;

U_кэ=40В;

h_21э=40…70;

I_кб0=50мкА;

I_kmax=1,5A.

7. Определяем

8. Выбираем VD1 с такими параметрами:Ucm = 11В,

9. Определим R2 и U_{d расч}, решив систему уравнений:

10. Выбираем

11. Выбираем R2: (из ряда Е 24) – 330 Ом.

1.3 Транзисторный стабилизатор с температурной компенсацией

Схема стабилизатора с компенсацией температурного дрейфа выходного напряжения приведена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Схема стабилизатора

В этом устройстве источником опорного напряжения являются соединенные последовательно кремниевый стабилитрон VD1, обладающий положительным температурным коэффициентом, и переход база – эмиттер транзистора VТ1, обладающий отрицательным температурным коэффициентом ( для кремниевых транзисторов это около 2 мВ/К).

Таким образом, качество температурной компенсации этого стабилизатора будет зависеть от того, насколько сумма этих температурных коэффициентов будет близка к нулю.

Порядок расчета

При расчете, как правило, заданы : U_вых, I_н, R_вых и ряд резисторов. Расчет ведем в таком порядке:

1. Выбираем кремниевый стабилитрон (VD1) так , чтобы

стремясь к тому, чтобы I_KCmin было минимальным.

2. По характеристике стабилитрона выбираем ток, на котором будет работать устройство

Рисунок 1.4 ВАХ кремниевого стабилитрона

3. Задаем U_d =(1,5…1,75)U_вых;

4. Выбираем транзистор VТ2 : U_кэ > U_d : I_доп > I_Hmax;

Из подходящих по трем параметрам выбираем транзистор с максимальным значением h_21min.

5. Определим и выбираем из ряда с учетом требуемой мощности рассеяния .

6. Определяем .

7. Выбираем VТ1 : U_КЭ >U_вых (лучше если U_КЭ > U_d); ; и максимальным h_21min.

8. Определяем .

9. По входной характеристике находим U_бэ, по которому найдем R₂.

10. Определяем , где і_раб – см. п. 2, и выбираем из ряда.

Рисунок 1.5 - ВАХ перехода база – эмиттер

11. Определяем требуемое значение коэффициента усиления тока

,

где .

Если , то расчет закончен. Если нет, то надо ввести еще один транзистор или заменить VT1 и VT2, чтобы произведение h₂₁ было больше требуемого коэффициента усиления тока.

Пример расчета

Задано :U_вых = 9B, i_н = 0…0,5А; резисторы ряда Е24.

1. Выбираем кремниевый стабилитрон (VD1) так, чтобы

стабилитрон: КС182Ж с параметрами (приложение А):

U_ст=8,2 В

I_{кс min} = 0,5 mA;

I_{кс max} = 15 mA;

2. По характеристике стабилитрона выбираем ток, на котором будет работать устройство

i_раб=5 мА;

3. Задаем U_d =(1,5…1,75)U_вых = 15В;

4. Выбираем транзистор VТ2 : U_кэ > 15В; I_доп > 0,5А

Из подходящих по трем параметрам выбираем транзистор КТ817В, с параметрами (приложение В.1):

I_{к min} = 3 A;

U_кэ = 60 В;

Р_{к mах} = 25 Вт;

h_21э = 30;

I_кб0= 0,1 мА;

5. Определим и выбираем из ряда с учетом требуемой мощности рассеяния .

Выбираем резистор МЛТ-0,5-200+/-5% (приложение Г)

6. Определяем

7. Выбираем VТ1 : U_КС >U_вых (лучше, если U_КС > U_d); ; и максимальным h_21min.

Подходит транзистор КТ602Б, с параметрами (приложение В.1):

I_{к mах} = 75 мA;

Р_{к mах} = 650 мВт;

U_кэ = 100 В;

h_21э = 50;

8. Определяем

9. По входной характеристике находим U_бэ, по которому найдем R₂.

U_бэ=0,8 В;

10. Определяем , где і_раб – см. п. 2, и выбираем из ряда R₂=180 Ом

1.4 Стабилизатор на ИМС

Порядок расчета

Задано:U_вых , I_вых , нестабильность или R_вых и K_ст.

Требуется:выбрать ИМС, определить U_вх(U_d), выбрать тип выпрямителя, диоды, конденсаторы.

1. Выбираем ИМС по заданным параметрам. Если все параметры соответствуют заданию, то выписываем из справочника параметры ИМС: U_вых, I_н, U_{вх max} и (U_вх-U_вых)_min и схему включения.

2. Определяем требования к выпрямителю ,

Рисунок. 1.6 - Схема источника питания со стабилизатором на ИМС

Пример расчета

Задание: рассчитать стабилизатор на ИMC: ; ; остальные параметры определяются из справочника по ИMC.

1. Выбираем ИMC К142ЕН5А (приложение Б);

Выписываем параметры: ; ; ; ; ; ; ; и схему включения

Рис.1.7 – Схема включения ИMC стабилизатора

2. Определяем требования к выпрямителю

.

1.5 Стабилизатор на ИМС с увеличением тока

Порядок расчета

Задано : U_вых , I_н , тип ИМС.

В данном разделе рассмотрен случай, когда U_выхИМС =U_вых ; I_н >I_выхИМС.

1. Выписываем параметры ИМС: U_вых , U_{вх max} , (U_вх –U_вых)_min ,I_{вых max}, I_потр.

2. Выбираем схему (для большинства ИМС схема представлена на рис.1)

Рисунок 1.8 – Схема стабилизатора на ИМС с увеличением тока

3. Выбираем транзистор по следующим параметрам: U_кэ>U_{вх max} , I_к >I_н ; . Выписываем параметры : U_кэ , I_к , h_21min , I_{к бо} .

4. Определяем , и выбираем из ряда.

5. Проверяем

6. Определяем требования к выпрямителю ,

Пример расчета

Задано: U_вых=12В , I_н=5А , ИМС – К142ЕН8Б.

1. Выписываем параметры ИМС (приложение Б): U_выхИМС= 12±0,36В

I_{н max} = 1,5А

(U_вх –U_вых)_min = 2,5В

I_потр =10 мА

U_{вх max} = 35В

2. Выбранная схема – на рисунке 1.5.

3. Выбор транзистора: U_кэ>U_вх= 35В, I_к >I_н =5А,

р п р КТ 837В (приложение В.1) :

U_кэ = 70В

I_{к max} = 7,5А

h_21Эmin = 50

I_{к бо}= 0,15мА

U_эб = 15В

4.

выбираем из ряда : 9,1 Ом.

5. Проверяем

6. Определяем требования к выпрямителю ,

1.6 Стабилизатор на ИМС с увеличением напряжения

Порядок расчета

Задано:U_вых , I_н , тип ИМС.

1. Выписываем параметры ИМС : U_вых , I_{н max} ,I_потр , U_{вх max} , (U_вх –U_вых)_min.

2. Выбираем стабилитрон КС U_кс=U_{вых зад} –U_{вых ИМС}.

Выписываем параметры U_кс, I_{ст min} и I_{ст max}.

Если нет КС с нужным напряжением, добавляем кремниевые диоды малой мощности или включаем два стабилитрона последовательно.

3. Составляем схему

Рисунок 1.9 – Схема стабилизатора с увеличением напряжения

4. Определяем величину R₁ и выбираем из ряда ближайшее меньшее значение

.

5. Проверяем соотношение

.

6. Определяем требования к U_вх

.

Пример расчета

Рассчитать стабилизатор на ИМС К142ЕН8А на U_вых=15В , I_н=1А.

1. Параметры ИМС (приложение Б) :

U_выхИМС =9±0,27В

I_{н max} =1,5А

(U_вх –U_вых)_min = 2,5В

I_потр = 10мА

U_{вх max} = 35В

2. Выбор стабилитрона (приложение А):

U_кс=U_{вых зад} –U_{вых ИМС} =15-9=6В

КС162А : U_ст = 6,2В

I_{ст min} = 3мА

I_{ст max} =22мА

3. Схема - на рисунке 1.9

4.

5. Проверяем

6. ,