Расчет стабилизатора на интегральной

Микросхеме

В последние годы широкое распространение получили микросхемы – интегральные стабилизаторы напряжения. Источники питания на их основе отличаются малым числом дополнительных деталей, невысокой стоимостью и хорошими техническими характеристиками. В отечественной номенклатуре элементов это, например, микросхемы серий 142, К142 и КР142. В состав этих серий входят стабилизаторы с регулирующим элементом, включенным в плюсовой провод и с фиксированным выходным напряжением. Параметры некоторых из них приведены в табл. 1.2, более подробные сведения можно найти в [9, 10]. Расчетная схема стабилизатора на микросхеме, который рекомендуется применить для проектируемого источника питания, представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Расчетная схема стабилизатора на микросхеме серии КР142

Исходными данными для расчета являются: напряжение на выходе стабилизатора U_d , ток нагрузки I_d , коэффициент пульсаций напряжения К_п. Порядок расчета стабилизатора следующий:

– по заданному напряжению U_d выбирается ряд микросхем с соответствующим выходным напряжением;

– по заданному току I_d проверяется, какая из ряда выбранных микросхем более предпочтительна (I_вых> I_d). Допустимо выбирать микросхему с наибольшим выходным током;

– для выбранной микросхемы из допустимых пределов входного напряжения выбирается входное напряжение стабилизатора U_вх;

– выбирается значение входного тока стабилизатора I_вх≥ I_d . При I_вх=I_d стабилизатор будет рассчитан без запаса на перегрузку. Допускается выбрать любое из этих двух значений на усмотрение студента. Собственный входной ток микросхемы можно не учитывать, так как он весьма мал (около 1 мА);

– рассчитывается коэффициент пульсаций на входе стабилизатора с учетом коэффициента сглаживания микросхемы:

К’_п=К_п К_сгл.(1)

Полученные значения U_вх=U₀, I_вх=I₀ и К’_п используются далее для расчета выпрямителя (см. п.2.5). При этом параметры U₀ и I₀ являются выходными параметрами выпрямителя.

Параметры микросхем серии КР 142

Микросхема	Uвх, В (min...max)	Uвых, В	Iвых мах, А	Ксгл
КР142ЕН5А	7,5...15
КР142ЕН5Б	8,5...15
КР142ЕН5В	7,5...15
КР142ЕН5Г	8,5...15
КР142ЕН8А	11,5...35		1,5
КР142ЕН8Б	14,5..35		1,5
КР142ЕН8В	17,5...35		1,5
КР142ЕН8Г	11,5...35
КР142ЕН8Д	14,5...35
КР142ЕН8Е	17,5...35
К142ЕН9А	23...45
К142ЕН9Б	27...45
К142ЕН9В	30...45

Расчет стабилизатора с усилителем тока

На транзисторе

Расчетная схема стабилизатора с усилителем тока на транзисторе представлена на рис. 1.3.

а б

Рис. 1.3. Расчетная схема стабилизатора с усилителем тока на транзисторе:

а – для положительной полярности U_d; б – для отрицательной полярности U_d

Исходными данными для расчета являются: напряжение на выходе стабилизатора U_d, ток нагрузки I_d, коэффициент пульсаций напряжения К_п. Для расчета такого стабилизатора сначала по справочнику [5, 6] или из приложения 1 выбирается тип стабилитрона с напряжением стабилизации, равным напряжению в нагрузке U_ст..= U_d. Для стабилитрона из справочника нужно выписать значения минимального и максимального токов стабилизации I_ст.min и I_ст.max и величину дифференциального сопротивления R_ст..

Тип транзистора выбирается по справочнику [7, 8] или из приложения 1, исходя из условий: I_к.max=(1,5...3)I_d и U_к.э.mах.=(1, 2...2)U_d. Для выбранного транзистора нужно выписать значения напряжения между коллектором и эмиттером в режиме насыщения U_{к.э.нас.} и коэффициент передачи тока базы β(h_2.1.э). Затем определяют входное напряжение стабилизатора

U_вх = U_d + (5…10)U_{кэ нас .}(2)

Определяют сопротивление в цепи базы транзистора

_. (3)

Полученное значение R_Б округляют до ближайшего стандартного значения (приложение 1 табл.1.3).

Определяют входной ток стабилизатора

_. (4)

Стабилизатор с включением нагрузки в цепь эмиттера транзистора обладает свойством сглаживать пульсации напряжения в нагрузке. Коэффициент сглаживания К_сгл. зависит от величины сопротивления в цепи базы транзистора R_Б и дифференциального сопротивления стабилитрона R_ст. и определяется по формуле:

. _. (5)

Так же, как и в предыдущем примере, используем формулу (1), т.е. К’_п=К_п К_сгл.

Полученные значения U_вх=U₀, I_вх=I₀и К’_п используются далее для расчета выпрямителя (см. п.2.5). При этом параметры U₀ и I₀являются выходными параметрами выпрямителя.

Расчет емкостного фильтра

Простейший емкостной фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рис.1.4). Если заданная величина коэффициента пульсаций K_п на нагрузке не превышает 2-3%, то величину емкости С конденсатора в микрофарадах приближенно можно посчитать, если известно сопротивление нагрузки R_ноmax, частота f в герцах и коэффициент пульсаций K_п на нагрузке в процентах.

, (6)

где коэффициент m=1 – для однополупериодной; m = 2 – для двухполупериодной схем выпрямления.

Рис. 1.4: а – схема электрическая принципиальная; б – схема эквивалентная; в – временная диаграмма работы емкостного фильтра

Конденсаторы сглаживающих фильтров должны иметь емкость не менее получившейся по результатам расчета. Рабочее напряжение конденсаторов выбирается в 1,5…2 раза больше напряжения холостого хода выпрямителей, которое определяется из расчетов нагрузочной характеристики при токе нагрузки, равном нулю. Параметры некоторых электролитических конденсаторов, применяемых в сглаживающих фильтрах, приведены в приложении 1.

Примечание. Для упрощения расчетов допустимо полагать, что ток заряда конденсатора не оказывает влияния на амплитуду тока через вентили и что стабилизатор не оказывает существенного влияния на сопротивление нагрузки, приведенной к выходу выпрямителя.

Расчет выпрямителя

В соответствии с блок-схемой любого источника питания (рис. 1.1) выпрямитель должен обеспечивать основные режимы нагрузки, которыми являются: среднее значение выпрямленного напряжения U₀ и тока I₀ , а также допустимый коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_п.. При выборе и расчете вентилей выпрямителя основными параметрами будут: среднее I₀ и амплитудное I_2m значения тока, а также обратное напряжение на вентиль U_обр. Далее рассмотрены методики расчета и особенности некоторых наиболее распространенных типов выпрямителей. Следует иметь в виду, что требуемые режимы нагрузки могут быть обеспечены только в том случае, если соответствующие параметры обеспечивает питающий трансформатор. Для расчетов трансформатора расчетными параметрами являются: действующие значения напряжений U₁ , U₂ и токов I₁ , I₂, мощность трансформатора Р_тип. Указанные параметры определяются по результатам расчета выпрямителя.