Источник стабильного тока (генератор стабильного тока ГСТ)

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Курсовая работа по дисциплине "Электроника"

Пояснительная записка

210312 000 000 876 ПЗ

Вариант № 12

Руководитель		В.И.Паутов
канд. техн. наук, доцент
Студент группы ВЕ-01б		Меликоров Д. В.

Екатеринбург 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1 Методические указания по проектированию стабилизатора . . . . . . . . . 4

1.1 Структурная схема стабилизатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Выбор транзистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Выбор стабилитрона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

1.4 Источник стабильного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

1.5 Расчет параметров стабилизатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6 Защита нагрузки от перенапряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

1.7 Индикация состояния стабилизатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .11 Заключение……………………… ……………………………………. 13

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .

ВВЕДЕНИЕ

Целью выполнения курсовой работы является закрепление знаний, полученных при изучении теоретической части дисциплины в частности, применения полупроводниковых диодов и транзисторов, усвоить навыки самостоятельной работы по разработке и анализу схем аппаратуры связи, использования справочной и специализированной литературой.

В данной курсовой работе были использованы следующие термины: транзистор, стабилитрон, а также я считаю необходимым рассмотреть механизмы, лежащие в работе стабилитора. Вышеперечисленные понятия и механизмы рассмотрены мною ниже:

Транзи́стор (англ. transistor) — электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п

Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряжения источника питания на заданном уровне. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих элементов (примесей). Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

В основе работы стабилитрона лежат два механизма:

• Лавинный пробой p-n перехода
• Туннельный пробой p-n перехода (Эффект Зенера в англоязычной литературе)

Стабилизаторы, рассматриваемые в курсовой работе, широко используются в зарядных устройствах, в качестве источников питания маломощных радиоэлектронных устройств.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ

СТАБИЛИЗАТОРА

Структурная схема стабилизатора

Структурная схема стабилизатора представлена на рисунке 1.

ИП – источник питания стабилизатора, СЭ – силовой элемент, ИОН - источник опорного напряжения, СЗ – схема защиты, И – индикация состояния стабилизатора, Н – нагрузка стабилизатора.

ИП

СЭ

ИОН

СЗ

И

Н

Рис. 1. Структурная схема стабилизатора

Выбор транзистора

Для примера примем напряжение стабилизации равным 9 В, номинальное значение тока нагрузки I_Н = 170 мА. При таком токе сопротивление нагрузки составляет 53 Ом рис. 15. Примем также, что ток нагрузки может изменяться на ±20. Тогда I_Hmax = 204 мА, I_Hmin = 136 мА. Такой ток могут обеспечить транзисторы средней мощности германиевые n-p-n типа ГТ612Г или ГТ404А.

Транзистор включен по схеме общий коллектор, поэтому можно принять, что ток коллектора равен току эмиттера. По максимальному значению тока выбирается транзистор и по справочным данным определяются его параметры: коэффициент передачи тока базы В, допустимая мощность рассеяния коллектора при заданном максимальном значении окружающей температуры Р_Кдоп. Коэффициент усиления В можно определить по вольт-амперным коллекторным характеристикам транзистора В = ∆I_K/∆I_Б при напряжении 30 В.

Исходя из характеристик рис. 21 транзистор типа ГТ612Г получаем
В ≈ 35.

Определим максимальный ток базы I_Бmax = I_Кmax / В = 5,5 мА.

Для нормальной работы транзистора средней мощности и с учетом изменения напряжения питания, напряжение между коллектором и эмиттером должно быть не менее 10 вольт. При этом минимальное напряжение на коллекторе оказывается равным 20 В. Максимальное значение напряжения источника питания равно 28 В. К транзистору прикладываем максимальное напряжение U_КЭmax= 18 В. Для всех транзисторов средней мощности такое напряжение вполне допустимо.

Теперь определим мощность рассеяния Р_К = U_КЭmaxI_Кmax < Р_Кдоп. Для данного транзистора оно равно Р_К = 9.5 Вт, что вполне допустимо для транзисторов средней мощности..

Полученная мощность рассеяния превышает допустимую, то транзистор следует поместить на радиатор. Выбор необходимой площади радиатора проводим по графикам рисунка 22 справочных данных. Превышение мощности 65%, проводится горизонтальная линия до пересечения с графиком и получаем площадь радиатора равную 115

Выбор стабилитрона

Напряжение на выходе стабилизатора принято равным 9 В. Учитывая падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора выберем стабилитрон типа 2С190Б. Его параметры по справочным данным:
U_СТ = 9±5% В, I_СТmax = 26 мА, r_СТ = 15 Ом, ξ = + 6 10^-2 %/^ОС.

Оценим влияние температуры на напряжение стабилизации, если температура изменяется на 40^оС.

R1

VD2

RH

VT1

R1

UИ +

VD1

Рисунок 2. Включение термокомпенсирующих диодов рующих диодов рующих диодов рующих диодов

Рис. 3. Зависимость относительного ξСТ стабилитрона от напряжения стабилизации

% 0С

– 0,08

0,04

– 0,04

0,08

4 8 12 16 В UСТ

ξСТ

Решение.

[%] = 0,075·50^ОС = 3,75. Напряжение U_СТ = 10 В изменяется

Решение.

[%] = 0,06·40^ОС = 2,4. Напряжение U_СТ = 9 В на 2,4 %, что составляет 0,22 В. Такой температурный дрейф недопустим по заданию.

Требуется введение термокомпенсации путем введения дополнительных диодов VD2, включенных в прямом направлении с отрицательным ТКН,
рис. 17.

Выберем необходимое количество диодов с ТКН = –2,5 мВ/^ОС. При изменении температуры на 50^ОС величина смещения напряжения одного диода составит 100 мВ. А скомпенсировать необходимо 220 мВ.

Выбор напряжения компенсации U_К произведем по графику
рис. 18. При заданном изменении температуры необходим стабилитрон с
ξст = – 0,06 %/^ОС. На графике проведем сечение (пунктирная линия) с указанным ξ_СТ.

Согласно графику необходим диод с напряжением стабилизации примерно 3В. Такому напряжению соответствует диод КС131А, напряжение
стабилизации которого U_СТ = 3,1 В.

После этого необходимо вновь выбрать основной стабилитрон VD1 с напряжением U_СТ ≈ U_Н – U_К – 0,2 В и оценить окончательный. Для рассматриваемого примера подходит стабилитрон КС170А с параметрами U_CT = 7,0 ± 5% B, r_Д = 6 Ом.

При заданном напряжении стабилизации более 9 В придется включить два термокомпенсирующих стабистора. При напряжении стабилизации более 12 В следует включить последовательно два стабилитрона. При этом желательно один из них выбрать на напряжение 5 В, при котором ξ_СТ ≈ 0
рис. 18.

Полной термокомпенсации данным способом получить не удается, т.к. стабилитроны имеют фиксированные напряжения.

Источник стабильного тока (генератор стабильного тока ГСТ)

Ток стабилитронов задает резистор R1, подключенный к источнику питания. Изменение напряжения источника приводит к изменению тока стабилитронов, их сопротивления и в конечном итоге влияет на выходное напряжение стабилизатора (рис 4).

UБЭ

UСТ

UК

IH

URэ

UКБ

UKЭ

UЭK

VT2

RЭ

VD2

RH

VT1

UИ +

VD1

Рисунок 4. Схема включения ГСТ

R1

VD3

UH

Для уменьшения влияния дрейфа напряжения источника питания U_И на параметры стабилизатора застабилизируем ток стабилитронов с помощью специальной схемы, называемой генератором стабильного тока рисунок 4. Напряжение на базе транзистора VT2 застабилизировано с помощью стабилитрона VD3, поэтому транзистор включен по схеме общая база.

R1

Транзистор работает в режиме стабилизатора тока, когда ток коллектора не зависит от изменения напряжения.

Ток коллектора транзистора VT2 задает ток стабилитронов и ток базы транзистора VT1.

Рассчитаем параметры ГСТ и выбрать его элементы.

Зададимся током стабилитронов равным 20 мА и учтем ток базы транзистора VT1 I_Б = 1.2 мА. Ток коллектора VT2 вычисляется по соотношению

I_K = (U_Б – U_БЭ )/R_Э, (3.1 в методических указаниях)

где U_Б - напряжение на базе транзистора VT2,

U_БЭ - напряжение база-эмиттер этого транзистора.

При выборе транзистора VT1 примем, что минимальное напряжение на его коллекторе составляет 20 В, а напряжение U_КЭ = 10 В. При этом напряжение U_КБ для транзисторов на основе германия составит 9,7 В.

По транзистору VT2 и по резистору R_Э должен протекать ток, равный 21,2 мА. Сопротивление R_Э = U_Rэ/I_Rэ = 4,7 В/21,2 мА = 221 Ом. Примем номинальное значение R_Э = 220 Ом.

Напряжение на сопротивлении R_Э = 4,7 В. Напряжение U_БЭ = 0,2 В. Напряжение U_Б = (4,7 + 0,2) = 4,9 В. Теперь можно выбрать стабилитрон на напряжение U_CT = 4,9 B.

По справочным данным выберем стабилитрон КС148А.

Зададим ток диода VD3 АЛ301Б равным 10 мА при минимальном напряжении источника U_П. По сопротивлению R1 будет протекать ток 10 мА. Прикладывается напряжение U_П за вычетом напряжения на диодах VD3 и VD2. Эти напряжения в сумме дают 6,9 В. Тогда сопротивление R1= (20 В – 6,9 В)/10 = 1,31 кОм.

Выбрем номинальное значение (округлив в меньшую сторону), получим R1=1,3 обозначается на схемах 1К3. Вычислить мощность рассеяния на резисторе и выбрать его тип.

Поскольку принято иное значение резистора, то следует вычислить фактическое значение тока

I_R = (20 В – 6,9 В)/1,3 К = 10 мА.

Теперь можно определить сопротивления диодов VD1 и VD2. По диоду VD1 течет ток 20 мА (стабилитрон КС170А), по диоду VD2 (диод КС131А) течет ток 30 мА.

Воспользуемся графиком (рисунок 5), проведя сечения для соответствующих напряжений.

Рисунок 5 Зависимость сопротивления стабилитрона от тока стабилизации

5 10 15 В UСТ

20мА

ICT= 15 мА

Ом

0

20

rСТ

30мА

25мА

Согласно графику сопротивление диода VD1 составляет примерно
24 Ом, сопротивление диода VD2 – примерно 7 Ом. Общее сопротивление, включенное в цепь базы транзистора VТ1, составляет 31 Ом.

1.5 Расчет параметров стабилизатора

КСТ =

rK

UH

UИ

rСТ + h11 (1 + В)

Коэффициент стабилизации определяется по соотношении

(3.2 в методических указаниях)

где r_СТ – общее сопротивление стабилитронов,

r_К – сопротивление коллекторной цепи транзистора VT1,

h₁₁ – входное сопротивление транзистора, которое определяется по входной характеристике I_Б = f(U_БЭ) для тока базы, определенного в предыдущих разделах.

Определяем параметры транзистора VT1.

Сопротивление r_Э = φ_T /I_Э = 26/170= 0,15 Ом.

При температуре 20 ^ОС φ_T ≈ 26 мВ.

Параметр h₁₁ определяется по приращениям тока и напряжения на входной характеристике h₁₁ = ∆U_БЭ /∆I_Б рис. 21. Ток базы был вычислен ранее (в примере I_Б = 8 мА). Значение тока базы откладываем на оси тока базы, проводим прямую линию до пересечения с характеристикой, получаем положение рабочей точки (РТ). Строим характеристический прямоугольный треугольник так, чтобы РТ оказалась примерно в средине гипотенузы треугольника. Катеты проецируем на ось тока и напряжения. Вычисляем значения ∆U_БЭ и ∆I_Б.

Из построения находим, что ∆U_БЭ ≈ 0,1 В, ∆I_Б = 1 мА.

h₁₁ = ∆U_БЭ /∆I_Б = 0,1В/1мА = 100 Ом.

Сопротивление r_К определяется по коллекторным вольт-амперным характеристикам транзистора. Для этого проводим вертикальную прямую для напряжения 9 В, находится точка пересечения прямой с характеристикой тока базы, принятого в расчете. Возле этой точки строится характеристический треугольник, катеты которого проецируются на оси и находятся значения приращения тока и напряжения ∆U_КЭ и ∆I_К. Вычисляется сопротивление r_К. Построения показаны на рис. 21 и рис. 13.

Из построения определяем ∆U_КЭ = 10 В, ∆I_К ≈ 20 мА.

r_К = ∆U_КЭ /∆I_К = 10 В/12 мА = 0,83 кОм.

Коэффициент В определяется аналогичным способом В = ∆I_К/∆I_Б.

На рисунке 6 ∆I_К ≈ 10 мА (показано стрелкой на сечении), ∆I_Б = 0,4 мА.

Получаем В ≈ 25.

∙

КСТ =

rK

UH

UИm

rСТ + h11 (1 + В)

1,2

IБ , мА

UБЭ , В

1,6

0,8

0,4

0,7

0,8

UКЭ=5 В

IК, мА

UКЭ, В

0,9

IБ = 1,6 мА

2,0

1,2

0,8

Рисунок 6.Входная и выходная характеристики транзистора КТ605

РТ

∙

830 Ом

10 В

= 83,64

20 В

(31 + 100) Ом

=

Выходное сопротивление стабилизатора

R_ВЫХ = r_Э + (r_СТ + r_б )/(1 + B) (3.3 в методических указаниях)

Сопротивление r_б = h₁₁ – r_Э (1 + B) = 100 – 0,15*26 = 97,4 Ом.

R_ВЫХ = 0,1 + (31 + 97,4)/26 = 4,96 Ом.