Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                2

1. Обзор и анализ источников питания                             3

2. Выбор и анализ структурной схемы                              4

3. Разработка принципиальной электрической схемы     6

4. Расчет схемы электрической принципиальной            7

4.1 Исходные данные для расчета                                      7

4.2 Расчет схемы компенсационного стабилизатора     7

4.3 Расчет схемы защиты КСН от перегрузок                 15

4.4 Разработка схемы КСН на базе ИМС                            17

5. Анализ и оценка ошибок                                                   20

6. Вывод                                                                                 22

7. Список литературы                                                         23

Приложение 1. Схема электрическая принципиальная

на базе дискретных элементов                                          24

Приложение 2. Схема электрическая принципиальная

на базе ИМС                                                                           26

Приложение 3. ВАХ транзистора КТ827                            28

Приложение 4. ВАХ транзистора КТ603                            29

Приложение 5. ВАХ транзистора КТ312                            30

Приложение 6. Влияние разброса параметров

электронных компонентов                                                  31

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.

        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.

        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 телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования.

        Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.

        Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться в замен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.

        Наиболее характерной чертой дальнейшего научно-технического прогресса в нашей стране является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

        Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

        Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

        Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется  тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

        Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

        Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

        В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

2. ВЫБОР И АНАЛИЗ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов [1].

Рис. 2.1

Рис.2.2.

        Различие приведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.

        Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко. Для стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках обычно применяются  стабилизаторы напряжения последовательного типа. Их недостатком является то, что при коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу будет приложено все входное напряжение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

        Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

 Kсти = 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 выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении.

Rвых = DUвых / DIвых ,  при Uвх = const.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

h = Uвых ´ Iвых  /  Uвх ´ Iвх .

4. Дрейф (допустимая нестабильность) выходного напряжения. Временной и температурный дрейф характеризуется величиной относительного и абсолютного изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.

3.  РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

        В соответствии с выбранной структурной схемой (рис. 2.1) составляем приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения. После проведения расчета, данная схема будет доработана. Только после полного расчета режимов работы и выбора элементов можно составить окончательный вариант схемы электрической принципиальной компенсационного стабилизатора напряжения.

                Рис. 3.1.

        Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения и усилителя обратной связи. Роль регулирующего  элемента играет комплиментарный транзистор (состоит из 2х транзисторов VT2 и VT3). Источник опорного напряжения –VD1R1,R2VT1. Усилитель обратной связи – R4VD2VT4,R5R6R7.

4.  РАСЧЕТ СХЕМЫ ЕЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

4.1         Исходные данные для расчета

4.2         Расчет схемы компенсационного стабилизатора

Порядок расчетов приводится в соответствии с методикой приведенной в [2].

Согласно схеме (рис 3.1) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора:

U вх min = Uн + Uкз min = 15 + 3 = 18 B,                               (4.1)

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 = 18 / 0.9 = 20 В ,                         (4.2)

U вх max = 1.1 ´ U вх сер  = 1.1 ´ 20 = 22 В .                        (4.3)

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе

U к3 max = U вх max - Uн = 22 – 15 = 7 В .                            (4.4)

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется

Р3 = Uк3 max ´ Iн = 7 ´ 5 = 35 Вт.                                     (4.5)

По полученным значениям Uк3 max , Iн , Р3 выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры:

1	2	3	4	5