Схема и расчет стабилизаторов напряжения
Обычно стабилизаторы ИВЭ выполняются по компенсационной схеме с мощным составным транзистором в качестве регулирующего элемента. В качестве усилителя сигнала ошибки могут использоваться как отдельные транзисторы, так и ИМС, (либо операционные усилители, либо интегральные стабилизаторы). В техническом задании могут быть оговорены типы применяемых усилителей.
Стабилизатор включает в себя следующие структурные элементы:
1 - регулирующий элемент;
2 - усилитель сигнала ошибки;
3 - источник опорного напряжения;
4 - схема защиты от перегрузок;
5 - выходной делитель напряжения.
Расчет ИВЭ необходимо начинать со стабилизатора в соответствии с заданными параметрами выходного тока и напряжения, затем по результатам расчета определяются параметры и рассчитываются фильтр, выпрямитель, типовая мощность и вторичное напряжение трансформатора.
Исходными параметрами для расчета ИВЭ являются напряжение и ток в нагрузке UН., IН., коэффициент стабилизации KСТ., а также коэффициент пульсаций выходного напряжения KП. ВЫХ. Результатом расчета стабилизатора станет его входное напряжение UВХ. СТ. и коэффициент пульсаций входного напряжения KП. ВХ., которые будут служить исходными данными для расчета фильтра. В свою очередь, после расчета фильтра, станут известны величины средневыпрямленного напряжения Uо, которое необходимо получить от выпрямителя. По результатам расчета выпрямителя определяется типовая мощность трансформатора
Расчетная часть
Согласно схеме (приложение 2) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора:
U вх min = Uн + Uкз min = 15 + 4 = 19 B,
где Uкз min – минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3.
Исходя из того, что VT3 предположительно кремневый, то Uкз min выбираем в пределе 3..5 В.
Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора ±10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:
U вх сер = U вх min / 0.9 = 19 / 0.9 = 21 В ,
U вх max = 1.1 U вх сер = 1.1 19 = 20 В .
Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе
U к3 max = U вх max - Uн = 21 – 20 = 1 В .
Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется
Р3 = Uк3 max Iн = 10 1 = 10 Вт.
По полученным значениям Uк3 max , Iн , Р3 выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры:
| Марка транзистора | КТ819Б |
| Проводимость | NPN |
| Мощность Рк.макс | 2 (100) Вт |
| Напряжение, Uк.макс | 15 А |
| Усиление, h21Э |
По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:
h11Э3 = 33.0 Ом ,
m3 = 1 / h12Э = 1 / 0.23 = 4.20 ,
где h11Э3 – входное сопротивление транзистора, Ом; m3 – коэффициент передачи напряжения; h12Э3 – коэффициент обратной связи.
Находим ток базы транзистора VT3
IБ3 = Iн / h21Э3 min = 1 / 20 = 1.3 10-3 А .
Определяем начальные данные для выбора транзистора VT2. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер VT2
Uк2 max = Uк3 max - Uбэ3 = 10 – 0.7 = 9.3 В ,
где Uбэ3–падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3(0.7В)
Ток коллектора VT2 состоит из тока базы VT3 и тока потерь, который протекает через резистор R3,
Iк2 = Iб3 + IR3 = 5 10-4 + 1.3 10-3 = 1.8 10-3 А.
Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT2, равняется
Р2 = Iк2 ´ Uк2 max = 1.8 10-3 9.3 = 7.4 10-3 Вт.
По полученным значениям Uк2 max , Iк2 , Р2 выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:
| Марка транзистора | КТ814А |
| Проводимость | РNP |
| Мощность Рк.макс | 1 (10)Вт |
| Напряжение, Uк.макс | 40 В |
| Усиление, h21Э |
По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:
h11Э2 = 36.36 Ом ,
m3 = 1 / h12Э2 = 1 / 0.022 = 45.45 .
Рассчитываем ток базы VT2
IБ2 = Iк2 / h21Э2 min = 1.8 10-3 / 40 = 3 10-5 А.
Находим сопротивление резистора R3
R3 = (Uн + Uбэ3) / IR3 = (30 + 0.7) / 1.3 10-3 =23615 Ом.
Выбираем ближайший по стандарту номинал с учетом рассеиваемой на резисторе мощности
РR3 = (Uн + Uбэ3) IR3 = (30 + 0.7) 1.3 10-3 = 3.99 10-2 Вт.
Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 24 кОм ±5%.
Источником эталонного напряжения берем параметрический стабилизатор напряжения на кремневом стабилитроне VD2 из расчета
UVD2 = 0.7 Uн = 0.7 30 = 21 В.
Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:
стабилитрон КС213Б;
I VD2 = 5 10-3 А – средний ток стабилизации;
r VD2 = 25 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.
Вычисляем сопротивление резистора R4, задавши средний ток стабилитрона (I R4 = I VD2)
R4 = 0.3 Uн / I R4 = 0.3 30 / 5 10-3 = 2000 Ом.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R4, равняется
РR4 =0.3Uн I R4 = 0.3 30 5 10-3 = 50 10-3 Вт.
Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 2кОм ±5%.
Определяем начальные данные для выбора транзистора VT4. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора
Uк4max = Uн + Uбэ3 + Uбэ2 - UVD2 = 17.90 В
Задаем ток коллектора VT4 меньшим нежили средний стабилитронаVD2
I К4 = 4 10-3 А .
Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT4
Р2 = Iк4 Uк4 max = 4 10-3 2.90 = 11.6 10-3 Вт
По полученным значениям Uк4 max , Iк4 , Р4 выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:
| Марка транзистора | КТ315Г |
| Проводимость | NPN |
| Мощность Рк.макс | 0,15Вт |
| Напряжение, Uк.макс | 35 В |
| Усиление, h21Э | 50-350 |
По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:
h11Э4 = 208,3 Ом ,
m3 = 1 / h12Э4 = 1 / 0.034 = 29.41
Рассчитываем ток базы VT4
IБ4 = Iк4 / h21Э4 min = 4 10-3 / 50 = 8 10-5 А.
Ток последовательно соединенных резисторов R5, R6, R7 берем равным 5Iб4 и определяем суммарное сопротивление делителя
Rдел = Uн / Iдел = 30/ (5 8 10-5) = 75000 Ом.
Находим сопротивления резисторов:
R5 = 0.3 Rдел = 0.3 75000 = 22500 Ом;
R6 = 0.1 Rдел = 0.1 75000 = 7500 Ом;
R7 = 0.6 Rдел = 0.6 75000 = 45000 Ом.
Выбираем резистор R5 типа МЛТ- 0.125 22 кОм ±5%, резистор R7 типа МЛТ- 0.125 7.5 кОм ±5% . Резистор R6 выбираем СП3-44 0.25Вт 47кОм.
Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения
UVD1 = 0.1 Uвх max = 0.1 22 = 2.2 В.
Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:
стабилитрон КС119А;
I VD1 = 5 10-3 А – средний ток стабилизации;
r VD1 = 15 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.
Вычисляем сопротивление резистора R1, задавши средний ток стабилитрона (I R1 = I VD1)
R1 = 0.9 Uвх max / I R1 = 0.9 22 / 5 10-3 = 3960 Ом.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, равняется
R1 = 0.9Uвх max I R1 = 0.9 22 5 10-3 = 99 10-3Вт.
Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 3.9 кОм ±5%.
Определяем начальные данные для выбора транзистора VT1. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT1
Iк1 = Iк4 + Iб2 = 4 10-3 + 12 10-5 =412 10-5А.
Находим напряжение коллектор-эмиттер VT1
Uк1max = Uвх max - UR2 + Uк4max - UVD2 = 4.1 В,
где UR2 = UVD1 - Uбэ1 – падение напряжения на резисторе R2.
Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзисторa VT1
Р1 = Uк1max Iк1 = 4.1 412 10-5 = 16 10-3 Вт.
По полученным значениям Uк1 max , Iк1 , Р1 выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:
| Марка транзистора | КТ361Г |
| Проводимость | PNP |
| Мощность Рк.макс | 0,15 Вт |
| Напряжение, Uк.макс | 35 В |
| Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред | 0.30 Вт |
| Усиление, h21Э | 50-350 |
Рассчитываем сопротивление резистора R2
R2 = UR2 / IК1 = 1.5 / 412 10-5 = 364 Ом,
РR2 = UR2 IК1 = 1.5 412 10-5 = 618 10-5 Вт.
Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 360 Ом ±5%.
Рассчитываем основные параметры составного транзистора:
входное сопротивление транзистора
h11Э ск =h11Э2+h11Э3h21Э2min= 36.36 + 33 60 =2016 Ом;
коэффициент передачи напряжения транзистора
mск = m2m3 / (m2 + m3) = 45.4 4.2 / (45.4 + 4.2)=3.84;
выходное сопротивление транзистора
rск = mск h11Э ск / h21Э2min h21Э3min = 0.1723 Ом.
Рассчитываем входное сопротивление источника стабильного тока
RTD = R1 R2 / r VD1 = 3900 360 / 15 = 57024 Ом
Рассчитываем параметры усилителя обратной связи:
сопротивление нагрузки усилителя
RК = h11Э ск RTD / (h11Э ск + RTD) = 1947.49 Ом;
коэффициент усиления напряжения усилителя
Кu = 0.7 h21Э4min RК / (h11Э4 + h21Э4min r VD2) = 338.1
Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе
Кст = mскКuUн / Uвх = 3.845 338.1 15 / 22 = 886.4,
DUвих = DUвх / mскКu = 4 / 3.845 338.1 = 12 10-4,
Рассчитываем коэффициент пульсаций
Кп = DUвих 100 / Uвх = 12´10-4 100 / 15 = 0.46%.
Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора будет
Rвых = rск / mскКu = 0.17 / 3.845 71.13 = 63 10-5 Ом.
Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:
Кст = 886.4 > Кст.зад = 800; Кп = 46 < Кп.зад = 50 %.
Найденные параметры удовлетворяют заданным условиям.
Устройства защиты стабилизаторов напряжения от перегрузок можно разделить на встроенные, воздействующие на регулирующий элемент стабилизатора, и автономные, содержащие отдельный ключевой элемент. Обычно к стабилизаторам с защитой от короткого замыкания выходной цепи предъявляется требование автоматического возврата в рабочий режим после устранения перегрузки.
Для расчета принимаем ток срабатывания защиты равный 110% от Iн .
Iн max = 1.1 Iн = 1.1 1 = 1.1 А.
Рассчитываем сопротивление R8.
R8 = Uбе5 / Iн max = 0.7 / 1.1 = 0.636 Ом.
Рассчитываем мощность проволочного резистора
РR8 = Uбе5 Iн max = 0.7 1.1 = 0.77 Вт.
Выбираем транзистор VT5 из условия Iк5 = Iб3 ;
Uк5 max =Uбэ3 + R8 Iн max = 0.7 + 0.636 1.1 =1.469 B;
P5 = Uк5 max Iб3 = 1.469 6.7 10-3 = 9.84 10-3 Вт.
По полученным значениям Uк5 max , Iк5 , Р5 выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:
| Марка транзистора | КТ814А |
| Проводимость | PNP |
| Мощность Рк.макс | 1 (10) Вт |
| Напряжение, Uк.макс | 40 В |
| Усиление, h21Э |
Выбор элементной базы
| Обозначение | Наименование | Кол-во, шт. | Примечание |
| Резисторы | |||
| R1, R6 | Резистор МЛТ 3,3 кОм 0,5 Вт | ||
| R2, R8 | Резистор МЛТ 4,7 кОм 0,25 Вт | ||
| R3, R4, R9 | Резистор МЛТ 1,6 кОм 0,125 Вт | ||
| R10 | Резистор МЛТ 390 Ом 0,5Вт. | ||
| R11, R13 | Резистор МЛТ 620 Ом 0,5Вт | ||
| R12, R14 | Резистор МЛТ 790 Ом 0,5Вт | ||
| Конденсаторы | |||
| С1, C4 | Конденсатор К73-16 0,00043мкФ 63в | ||
| С2, C3 | Конденсатор К73-16 0,00082мкФ 63в | ||
| Полупроводниковые диоды | |||
| VD1-VD4 | КЦ410А | ||
| Стабилитроны | |||
| VD5 | КС212Ж | ||
| Транзисторы | |||
| VT1 | КТ819Б прп | ||
| VT2 | КТ814А pnp | ||
| VT3 | КТ315Г прп | ||
| VT4 | КТ315Г прп | ||
| VT5 | КТ361Г рпр | ||
| VT6 | КТ814А рпр |
Список литературы
1. Источники вторичного электропитания/ под ред.Ю.И.Конева.-М.:1990
2. Китаев В.Е., Бокуняев А.А.Проектирование источников электропитания устройств связи.М.:1972
3. Букреев С.С.Силовые электронные устройства. Введение в автоматизированное проектирование -М: Радио и связь,1982
4. Справочная книга радиолюбителя-конструктора / под ред. Н.И.Чистякова. - М.: Радио и связь,1990
5. Диоды, тиристоры, транзисторы и микросхемы широкого применения. Справочник./Б.Ф. Бессарабов, В.Д. Федюк, Д.В. Федюк - Воронеж: ИПФ"Воронеж",1994
6. Устройства электропитания электронной аппаратуры / под ред. В.Ф. Басовского. - К.: Техника,1980
7. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / под ред. Э.Т. Романычевой
8. Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств.- М.:Высш.шк.,1989