Расчет стабилизатора напряжения
РЕФЕРАТ
Объем работы стр. 25, ил.10, прил.2.
СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР, ТРАНЗИСТОР, РЕЗИСОТОР, КОНДЕНСАТОР, КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР
Целью данной курсовой работы
является: выбор и обоснование
выбора элементов, расчет их номинальных
значений, разработка печатной платы
устройства.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 6
1.2 Параметрический стабилизатор 6
1.2 Компенсационный стабилизатор 9
1.3 Основные
параметры, характеризирующие
2 АНАЛИЗ ПРИНЦИПА
ДЕЙСТВИЯ СТАБИЛИЗАТОРА
3 РАСЧЕТ ЗНАЧЕНИЙ. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 20
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 21
ПРИЛОЖЕНИЯ 22
ВВЕДЕНИЕ
Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно себе представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики.
На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.
Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.
Неотъемлемой частью многих
радиоэлектронных и электронных
устройств являются стабилизаторы
постоянного напряжения. В одних
устройствах они используются как
высокостабильные источники питания,
обеспечивающие необходимую надежность
работы, в других - не только как источники
питания, но и как источники эталонного
(образцового) напряжения. Образцовое
напряжение необходимо во многих системах
авторегулирования и
Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться взамен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.
1 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Стабилизатором напряжения
(СТН) называют устройство, поддерживающее
с определенной точностью неизменным
напряжение на нагрузке. Другими словами,
стабилизатор напряжения - это устройство,
на выходе которого напряжение остается
неизменным при воздействии
Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН).
1.2 Параметрический стабилизатор
Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее на одной из его разновидностей - стабилитрона. Типичная наипростейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Параметрический стабилизатор напряжения
В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение изменяется на нем очень незначительно. Входное напряжение через ограничительный резистор Rбал подводится к параллельно включенным стабилитрону и сопротивлению нагрузки. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то и на нагрузке оно будет иметь тот же характер. При увеличении входного напряжения практически все изменение Uвх передается на Rбал, что приводит к увеличению тока в нем. Увеличение этого тока происходит за счет увеличения тока стабилизации при почти неизменном токе нагрузки. Другими словами, все изменение входного напряжения поглощается в ограничительном (балластном) резисторе.
Иногда необходимо получить
такое напряжение, на которое стабилитрон
не рассчитан. В этом случае применяют
последовательное соединение стабилитронов.
Тогда напряжение стабилизации будет
соответствовать сумме
Помимо рассмотренной
схемы применяют каскадное
Рисунок 2 – Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности
Нагрузка подключена через транзистор, включенный по схеме ОК, выполняющего роль усилителя мощности.
Такая схема при малых и средних токах нагрузки работает как стабилизатор, а при больших токах нагрузки - как транзисторный фильтр (если параллельно стабилитрону подключить конденсатор). Если параллельно стабилитрону подключить переменный (подстроечный) резистор, то выходное напряжение становиться регулируемым. Можно также включить параллельно нагрузке конденсатор. Для уменьшения высокочастотной (ВЧ) составляющей выходного напряжения параллельно нагрузке подключают конденсатор емкостью 0,01...1 мкФ.
Тип транзистора в схеме на рисунке 2 выбирается из учета мощности нагрузки. Например, для питания усилителя (особенно большой мощности), когда ток нагрузки велик, подключают составной транзистор. Составной транзистор (Рисунок 3) - это когда берут два (или больше) транзистора и коллектор или эмиттер одного подключают к базе другого, а оставшийся вывод первого транзистора соединяют с оставшимся выводом следующего.
Рисунок 3 – Составные транзисторы
У составного транзистора коэффициент передачи равен произведению коэффициентов передачи каждого транзистора.
1.2 Компенсационный стабилизатор
Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) работает по иному принципу, нежели ПСН. Принцип действия КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. КСН относятся к стабилизаторам непрерывного действия и представляют собой устройства автоматического регулирования, которые с заданной точностью поддерживают напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. КСН бывают последовательного и параллельного типа. Рассмотрим структурную схему типичного КСН последовательного типа.
Рисунок 4 - КСН последовательного типа
РЭ - это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор (биполярный или полевой), СУ - схема управления - собственно управляет работой РЭ. Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его задача - усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д - делитель напряжения, ИОН - источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ). Из-за включения РЭ последовательно с нагрузкой схема так и называется - последовательная.
Итак, источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. Сигнал с делителя напряжения подается на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения, поступающие на РЭ, который достаточно хорошо сглаживает их.
Рисунок 5 - КСН параллельного типа
Принцип действия такого стабилизатора основан на изменении проводимости РЭ (в соответствии с управляющим сигналом), вызывающее изменение падения напряжения на балластом резисторе. Эта схема хорошо работает при небольшом импульсном изменении тока нагрузки. Её основное достоинство - при импульсном изменении тока нагрузки не происходит изменения тока, потребляемого от сети.
Рисунок 6 – Принципиальная схема КСН
Функции РЭ выполняет транзистор VT1. ИОН образован резистором R1 и стабилитроном VD1 (как видим, это параметрический стабилизатор). Делитель, соответственно, состоит из резисторов R2-R4. На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока (УПТ). ИОН задает для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение с делителя. Если изменяется выходное напряжение, а соответственно, и напряжение на базе транзистора VT2, который сравнивая это напряжение с напряжением на эмиттере, задает РЭ такой режим работы, что сопротивление его перехода изменяется, и напряжение на нагрузке остается постоянным. С помощью резистора R3 можно регулировать выходное напряжение.
В качестве регулирующего элемента при малом токе нагрузки (не больше 0,1-0,2 А) используются одиночные транзисторы. При больших токах нагрузки ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы.
Такая схема обладает защитой от короткого замыкания (КЗ). При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2 закрываются.
На практике один из вариантов такой схемы можно встретить с резистором между коллектором и эмиттером РЭ. Он необходим для нормальной работы стабилизатора при отрицательных температурах.
Итак, практическая схема вышеописанного стабилизатора приведена ниже:
Рисунок 7 – КСН
Последовательный
Рисунок 8 – КСН с применением ОУ
Часть выходного напряжения Uout снимаемая с потенциометра R2 сравнивается с опорным напряжением Uz на стабилитроне D1, разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения Uout подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.
1.3 Основные параметры, характеризирующие стабилизатор
1. Коэффициент стабилизации,
представляющий собой
Kст = DUвх / Uвх : DUвых / Uвых
где: Uвх и Uвых - номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора;
DUвх и DUвых - изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.
Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.
2. Выходное сопротивление,
характеризующее изменение
Rвых = DUвых / DIвых , при Uвх = const.
3. Коэффициент полезного
действия, равный отношению мощности
в нагрузке к номинальной
h = Uвых ´ Iвых / Uвх ´ Iвх .
4. Дрейф (допустимая
2
АНАЛИЗ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ
Рисунок 9 – Схема стабилизатора напряжения с повышенным током нагрузки и защитой от КЗ
В данной схеме (Рисунок 9) используется трехвыводной стабилизатор напряжения. Он имеет всего три внешних вывода (вход, выход и земля) и настраивается изготовителем на нужное фиксированное напряжение. Типичные представители стабилизаторов такого рода - серия 7800 [2].
Трехвыводных интегральных стабилизаторов положительного напряжения изготавливается по планарно-эпитаксиальной технологии. Планарно-эпитаксиальная технология дает возможность наращивать полупроводниковый слой на подложку любого типа проводимости, при котором кристаллическая структура наращенного слоя является продолжением кристаллической структуры подложки. Состав наращенного слоя (эпитаксиальной пленки) может отличаться от состава подложки. Наращивая эпитаксиальный слой n-типа на подложку из кремния n-типа, можно сформировать р-n переход.
Данные стабилизаторы положительного напряжения являются комплементарными к распространенным стабилизаторам отрицательного напряжения, и рассчитаны на номинальные значения выходного напряжения от 5 до 24 В.
Для обеспечения устойчивой работы микросхем во всем диапазоне допустимых значений входного напряжения и выходного тока рекомендуется применять шунтирующие на землю конденсаторы. Использовать в качестве шунтирующих, предпочтительнее керамические и танталовые конденсаторы, так как они имеют хорошие характеристики на высоких частотах. При использовании алюминиевых электролитических конденсаторов, их емкость должна быть не менее 10 мкФ. Монтаж шунтирующих конденсаторов должен выполняться предельно короткими проводниками и, по возможности, непосредственно рядом с соответствующими выводами стабилизатора.
При аварии ток VТ1 может превысить максимальный внутренний ток стабилизатора в h21э раз, доходя до 20 А и больше. Этого вполне достаточно для разрушения транзистора VТ1, а также устройства, которое, будет в этот момент присоединено в качестве нагрузки.
В схеме транзистор VТ2 реагирует на ток нагрузки за счет изменения перепада напряжения на резисторе R2 ограничивая сигнал возбуждения транзистора VТ1, когда этот сигнал превышает диодный перепад. У этой схемы есть два недостатка: во-первых, большая рассеиваемая мощность, так как при максимальных токах нагрузки входное напряжение должно превосходить стабилизированное выходное напряжение на величину, равную сумме минимального перепада напряжений трехвыводного стабилизатора и удвоенного диодного перепада; во-вторых, VТ2 должен быть способен выдерживать большой ток (равный предельно допустимому току стабилизатора) при большом напряжении, так как из-за малого сопротивления резистора базы трудно реализовать ограничивающую схему с обратным наклоном характеристики.
При построении стабилизаторов
на большие токи важно добиться малого
перепада напряжений для снижения рассеиваемой
мощности до приемлемой величины. В
схеме это достигается за счет
того, что эмиттер-базовый перепад транзистора
VТ1 не входит в общий перепад на стабилизирующих
элементах.
3 РАСЧЕТ ЗНАЧЕНИЙ. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Рисунок 9 – Схема стабилизатора напряжения с повышенным током нагрузки и защитой от КЗ
Исходные данные:
Uвх = 15 - 20 В;
Uвых = 9 В;
Iн = 4 А;
Iкз = 4,2 А.
Выбираем микросхему КР142ЕН8А [3].
Параметры:
Uвых = 9 В;
Uвх max= 35 В;
Imax = 0,5 А;
Ррас = 8 Вт;
Iпотр = 10 мА.
Выбираем шунтирующие конденсаторы. Емкость на входе 0,33 мкФ, а на выходе 0,1мкФ. Используем керамические конденсаторы постоянной емкости, предназначенные для работы в цепях постоянного тока, так как они имеют хорошие характеристики на высоких частотах.
Тип конденсатора К10-17-1.
Полное обозначение для С1 К10-17-1-25-0,33 10%, для С2 К10-17-1-25-0,33 10%.
Iн = Iк+ Iрег
UЕН = Uвх - Uвых - UR = 20 В – 9 В - 0,8 В = 10,2 B;
;
Выбираем Iрег < Iрег max
Iрег = 0,5 А;
Выбираем транзистор VT1 по следующим параметрам:
Iк max = Iн - Iрег = 4 А – 0,5 А = 3,5 А;
Uкэ max = Uвх - Uвых = 20 В – 9 В = 11 В;
Ррас = Iк max ∙ Uкэ max = 3,5 А ∙ 11 В = 38,5 Вт.
По рассчитанным значениям выбираем биполярный транзистор p-n-p типа серии КТ818А, который имеет статический коэффициент передачи тока h21э =20.
Iк max = 10 А;
Uкэ max = 40 В;
Ррас = 60 Вт.
Следовательно, сопротивление R1:
PR1 =UR1IR1;
PR1 =0,8 В 0,5 А = 0,4Вт.
Из стандартного ряда сопротивлений Е24 выбираем резистор Rном=2,5 Ом.
Так как необходим резистор общего назначения, предназначенный для работы в цепи постоянного тока, то выбираем тип резистора С2-23 [4].
Полное обозначение: С2-23-0.5 2.5 Ом 5%.
Сопротивление R2:
PR2 =UR2IR2;
PR2 =0,8 В 3,7 А = 2,96 Вт.
Из стандартного ряда сопротивлений Е24 выбираем резистор Rном = 0,22 Ом.
Так как необходим резистор общего назначения, предназначенный для работы в цепи постоянного тока, то выбираем тип резистора С5-16 [4].
Полное обозначение: С5-16-3 0.25 Ом 5%.
Выбираем транзистор VT2 по следующим параметрам:
Uкэ max = Uэб + UR2 = 0,8 В – 0,8 В = 1,6 В;
Iк max = Iрег = 0,5 А;
Ррас = Imax ∙ Uкэ max = 0,5 А ∙ 1,6 В = 0,8 Вт.
По рассчитанным значениям выбираем биполярный транзистор p-n-p типа серии КТ505А, который имеет статический коэффициент передачи тока h21э =25.
Iк max = 1 А;
Uкэ max = 60 В;
Ррас = 1 Вт.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе был изучен стабилизатор напряжения с повышенным током нагрузки. Проанализирован принцип действия схемы, обоснован выбор типов материалов, рассчитаны их номинальные значения. Разработана печатная плата устройства.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
- Титце У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк.- Москва: Мир,1982.– 512с.
- Стабилизаторы напряжения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://msb440v.narod.ru.- Дата доступа 25.03.11.
- Интегральные микросхемы. Микросхемы для линейных источников питания и их применение: справочник – Москва: Додека,1998.– 399с.
- Аксенов А. И. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Резисторы. Конденсаторы: справочник/ А. И. Аксенов, А. В. Нефедов,- Москва: Радио и связь, 1995.– 272с.
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Печатная плата устройства
