Стабілізатор напруги імпульсний

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ЖИТОМИРСЬКИЙ ІНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ до курсового проекту

“СТАБІЛІЗАТОР НАПРУГИ ІМПУЛЬСНИЙ”

з дисципліни “ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА”

ЖИТОМИР 2001

Методичні вказівки до курсового проекту “Стабілізатор напруги імпульсний” з дисципліни “Електроніка і мікросхемотехніка” /Укладач Є.С. Купкін. - Житомир: ЖІТІ, 2001. - 56с.

Укладач Є.С. Купкін

Відповідальний редактор В.В. Гніліцький

Рецензенти: А.М. Залужний, А.І. Корнійчук

ЗМІСТ

Вступ

1. Зміст курсового проекту

2. Імпульсні стабілізатори постійної напруги

2.1 Типи стабілізаторів

2.2 Стабілізатори постійної напруги ключового типу

2.3 Типи імпульсних стабілізаторів

3. Розрахунок елементів силового блоку

3.1 Визначення вимог до елементів силового блоку стабілізатора, що знижує

3.2 Визначення вимог до елементів силового блоку стабілізатора, що підвищує

3.3 Визначення параметрів дроселя і конденсатора

3.4 Розрахунок енерговитрат силового блоку

4. Схема управління

4.1 Загальні положення

4.2 Підсилювач похибки неузгодженості

4.3 Генератор напруги, що лінійно змінюється

4.4 Компаратор

5. ККД стабілізатора

6. Розробка принципової схеми

7. Вимоги до оформлення пояснювальної записки

7.1 Текст пояснювальної записки

7.2 Оформлення ілюстрацій і таблиць

7.3 Обчислення

7.4 Оформлення “Змісту” пояснювальної записки

7.5 Оформлення списку літератури

7.6 Оформлення додатків

Література

Додаток 1. Технічні вимоги варіантів технічного завдання

Додаток 2. Параметри тороідальних сердечників з фериту

Додаток 3. Параметри обмоточних проводів

Додаток 4. Основні надписи

Додаток 5. Зразок оформлення принципової схеми

Додаток 6. Зразок оформлення переліку елементів

ВСТУП

Курсовий проект являє собою комплект текстових та графічних документів, виконаних за завданням, відповідно навчальному плану. Згідно з цим, курсовий проект, основні положення якого будуть розглянуті в цих методичних вказівках, є одним з етапів вивчення дисциплін "Електроніка і мікросхемотехніка" та “Цифрова і комп'ютерна електроніка”. Його головна задача - набуття навиків проектування електронних пристроїв на основі теоретичних знань, отриманих при вивченні курсів. Під час роботи над курсовим проектом студент закріплює теоретичні знання, поглиблює їх та узагальнює шляхом вирішення конкретної інженерної задачі. Самостійна розробка курсового проекту підготовлює студента до успішного виконання інших курсових проектів та, в наступному, - дипломного проекту.

В процесі розробки курсового проекту студент повинен:

познайомитися з основними етапами проектування електронних пристроїв;

навчитися аналізувати технічне завдання на проектування;

засвоїти основні поняття та терміни, що відносяться до проектування електронних пристроїв;

познайомитись з елементною базою електронних пристроїв та принципами їхнього вибору для застосування в конкретних схемах;

навчитись складати структурну схему, а на її основі створювати раціональну принципову схему електронного пристрою;

закріпити та поглибити знання методів розрахунку електронних пристроїв;

отримати навіки правильного оформлення технічної документації.

В методичних вказівках дана методика розрахунку двох типів імпульсних стабілізаторів напруги - один, що підвищує, другий, що зменшує. Вони є вузлами джерел живлення, принципи побудови яких були розроблені в останній період. Засновуються вони на застосуванні ключових режимів роботи регулюючих елементів, що дало можливість значно покращити масогабаритні показники радіоелектронної апаратури.

Основна увага в методичних вказівках зосереджена на розробці схем та виборі елементної бази для силового блоку і блоку управління. Якщо силовий блок створюється на дискретних елементах, то блок управління проектується на інтегральних мікросхемах, що дає можливість засвоїти методи розрахунку схем, які створені на різних принципах. В методичних вказівках також наведені вимоги до змісту та оформлення пояснювальної записки. стабілізатор дросель конденсатор сердечник

1. ЗМІСТ КУРСОВОГО ПРОЕКТУ

Курсовий проект складається з двох частин:

креслення електричної принципової схеми підсилювача;

пояснювальної записки, у якій обгрунтовується правильність запропонованої схеми.

По обсягу пояснювальна записка значно перевершує креслення схеми, яке включається в пояснювальну записку як додаток.

В пояснювальній записці міститься основний зміст проекту. В ній дається показ актуальності теми, проводиться вибір та обгрунтування засобів побудови принципової схеми пристрою, вміщуються розрахунки та пояснення, графіки, таблиці, схеми та інше.

Загальні вимоги до оформлення текстової частини пояснювальної записки:

повна відповідність завданню на курсове проектування;

чіткість викладення, логічну послідовність викладення матеріалу;

конкретність викладення результатів роботи, лаконічність і точність формулювань, виключення можливості подвійного тлумачення;

впевненість аргументів, обгрунтованість висновків і рекомендацій.

Пояснювальна записка, крім текстової частини, повинна включати необхідні ілюстрації, ескізи, графіки, діаграми, схеми, таблиці та інше, що було зроблено в процесі роботи над проектом. Приведення матеріалів довідкового характеру допускається лише в тих випадках, коли без цього неможливо виконати розрахунок, зробити висновки та т.п.

Зміст пояснювальної записки:

вступ;

огляд та аналіз літературних джерел;

вибір та обгрунтування структурної (функціональної) схеми;

розрахунок блоків, вузлів та елементів принципової електричної схеми;

розробка принципової електричної схеми;

висновки;

список літератури;

додатки.

У вступі до курсового проекту студент повинен в короткій формі обґрунтувати необхідність (актуальність) теми, викласти зміст записки та її основні положення.

Огляд літературних джерел дається по матеріалам аналізу технічної літератури. В цьому розділі проводиться, виходячи з вимог технічного завдання (ТЗ), порівнювальний аналіз недоліків та переваг відомих способів, огляд існуючих пристроїв подібного призначення та виконаних розробок, порівняння їх по основним параметрам. Розглядається можливість вирішення поставленої задачі в повному об'ємі або частково шляхом використання відомих технічних рішень. Викладаються загальні положення з теорії роботи джерел живлення, імпульсних стабілізаторів, їх типів або інші питання, які пов'язані з тими або іншими методами розрахунків, реалізацій і т.п. пристроїв, що використовуються для живлення радіоелектронної апаратури.

Не допускається дослівне переписування матеріалів з будь-яких джерел. В випадку необхідності допускається коротке викладення матеріалу з посиланням на джерело. На основі аналізу літературних джерел розглядаються можливі варіанти вирішення поставленої задачі, шляхи задоволення основних вимог ТЗ.

Розрахункова частина є основою пояснювальної записки і по обсягу повинна займати не менш 60%. Необхідно:

розробити і проаналізувати структурну (функціональну) схему стабілізатора;

виконати розрахунки, на основі яких сформулювати вимоги до елементів силового блоку та вибрати номінали і типи використаних елементів;

розробити функціональну схему блока (системи) управління;

вибрати елементну базу для побудови вузлів блока управління (підсилювач неузгодженості, джерело опорної напруги, генератор, напруга якого лінійно змінюється, компаратор); уточнити їхні схеми побудови; виконати розрахунок і вибір номіналів та типів використаних елементів;

розробити принципову схему підсилювача.

При виборі схемних рішень та елементної бази блоку управління рекомендується орієнтуватися на використання сучасних електронних компонентів - інтегральних мікросхем (ІМС). Це повинно сприяти не тільки підвищенню технічних і експлуатаційних характеристик розробленого виробу, але також спрощенню розрахунків. Практично деякі вузли стабілізатора можуть бути розроблені в результаті аналізу технічного завдання (вхідних даних) та наступного вибору ІМС по їх характеристиках (без проведення великої кількості достатньо складних розрахунків) і використанню типових схем включення мікросхеми. У кожному разі при виборі елементів необхідно мати на увазі можливість досягнення заданих технічних параметрів, а також практичну і економічну доцільність

Розрахунок кожного блоку, вузла, а іноді і елементу потрібно розпочинати з уточнення всіх вхідних даних, які, в загальному випадку, будуть складатися з трьох груп:

дані, вказані в технічному завданні на проект;

дані, які необхідно задати перед початком конкретного розрахунку;

дані, отримані у результаті раніше проведених розрахунків.

Курсовий проект розробляється відповідно до вимог варіанту технічного завдання, які наведені в додатку 1. Вимоги заданого варіанту ТЗ, що заданий, повинні бути наведені в пояснювальній записці або в окремому розділі (підрозділі), або як складова частина якогось розділу (підрозділу).

Розрахунок слід супроводжувати короткими текстовими поясненнями. Всі розрахунки повинні бути побудовані чітко та логічно. Не слід наводити в записці виведення формул, запозичених з лекційних курсів та літературних джерел. В таких випадках формула наводиться з посиланням на джерело, з якого вона взята. (Однак від студента вимагається повне розуміння її змісту, допущень, спрощень, зв'язаних з її виводами та межами використання).

По результатам розрахунків складається повна принципова електрична схема пристрою.

У висновках студент повинен зробити підсумки виконаної роботи. Тут треба дати характеристику виконаного проекту, оцінку отриманого результату порівняно з вимогами технічного завдання.

В списку використаної літератури повинні вказуватись лише ті джерела, на які в тексті записки є посилання.

Креслення принципової схеми, що розроблена, повинно бути виконано відповідно до вимог ЄСКД.

Основні вимоги та правила оформлення пояснювальної записки і принципової схеми будуть викладені далі в окремому розділі.

Приведемо деякі теоретичні зведення і методи побудови, що можуть сприяти виконанню курсового проекту.

2. ІМПУЛЬСНІ СТАБІЛІЗАТОРИ ПОСТІЙНОЇ НАПРУГИ

2.1 Типи стабілізаторів

Стабілізатором напруги (струму) називається пристрій, що підтримує автоматично і з необхідною точністю напругу (струм) на навантаженні при зміні дестабілізуючих факторів в обумовлених межах.

Існують два принципово різних методи стабілізації напруги: параметричний і компенсаційний.

Принцип дії параметричних стабілізаторів заснований на використанні нелінійних властивостей (параметрів) елементів, що входять в схему, при зміні прикладеної до них напруги або струму. В них застосовуються кремнієві стабілітрони, варистори, терморезистори, іонні стабілітрони, дроселі та деякі інші елементи.

Суть компенсаційного методу стабілізації зводиться до автоматичного регулювання вихідної напруги. В них здійснюється порівняння фактичної вихідної напруги з заданою і, в залежності від величини і знака неузгодженості між ними, автоматично проводиться такий вплив на елементи стабілізатора, який зменшує цю неузгодженість.

Основними елементами таких стабілізаторів є:

джерело опорної (еталонної) напруги (О);

елемент, що порівнює і підсилює (ПП);

регулюючий елемент (РЕ).

Схеми компенсаційних стабілізаторів постійної напруги бувають послідовного і паралельного типів, причому перші одержали найбільше поширення.

У стабілізаторах послідовного типу (рис. 2.1) регулюючий елемент РЕ включений послідовно з джерелом вхідної напруги U_вх і навантаженням R_н. Якщо з якихось причин (наприклад, через нестабільність U_вх або при зміні R_н) напруга на виході U_вих відхилилась від свого номінального значення, то різниця між еталонною та вихідною напругою змінюється, підсилюється і впливає на регулюючий елемент. При цьому опір регулюючого елемента автоматично змінюється і напруга U_вх розподіляється між РЕ і R_н таким чином, щоб компенсувати зміни напруги, що сталися, на навантаженні.

Рис. 2.1

Якщо в статичному стані (при незмінності вхідної напруги, струму навантаження й інших дестабілізуючих факторів) напруга і струм всіх елементів схеми не змінюються, то стабілізатор є лінійними (неперервним, незмінним в часі). Зміна стану відбувається тільки при переході від одного статичного стану до іншого. Основні недоліки таких стабілізаторів: незначний коефіцієнт корисної дії (ККД) і погані масогабаритні показники. Перший із зазначених недоліків в основному визначається виділенням великої потужності на регулюючому елементі.

2.2 Стабілізатори постійної напруги ключового типу

У стабілізаторах з імпульсним регулюванням регулюючий елемент заміняється ключем, що зводить до мінімуму потужність, що розсіюється на ньому. Ключ може або приєднувати, або від'єднувати навантаження і тим самим, регулювати середню потужність, що забирається навантаженням від вхідного джерела. Власне кажучи, змінюється режим роботи регулюючого елементу (транзистора) з неперервного на імпульсний [1, 2, 3]. Такі стабілізатори одержали найменування імпульсних.

Якщо джерело постійного струму підключати до навантаження за допомогою ключа, що періодично замикається та розмикається, то середнє значення напруги на навантаженні складе

,

де t_и - тривалість імпульсу замкнутого стані ключа; Т - період комутації; i(t) - поточне значення струму.

Напруга на навантаженні визначається як напругою джерела Е, так і співвідношенням інтервалів, протягом яких ключ замкнутий або розімкнутий. Змінюючи тривалість управляючих імпульсів, можна регулювати напругу на навантаженні і, отже, підтримувати його постійним при змінах первинної напруги Е. Якщо паралельно навантаженню підключити конденсатор досить великої ємності, те змінна складова струму буде замикатися через нього і пульсації напруги на навантаженні будуть незначні.

Перетворення сигналу похибки, що є повільно мінливою напругою, в імпульсну послідовність з перемінною шпаруватістю, необхідну для управління ключем, виробляється спеціальним імпульсним пристроєм, що входить в ланцюг зворотнього зв'язку стабілізатора. Ці пристрої і з'єднуючі ланцюги утворюють схему управління.

Роботою ключа можна керувати різними способами. Якщо імпульсний пристрій створює на своєму виході імпульсну послідовність з постійним періодом повторення і змінною, в залежності від сигналу похибки, тривалістю імпульсу, то таку схему називають стабілізатором з широтно-імпульсною модуляцією. Якщо ж імпульсний пристрій замикає ключ при напрузі на виході, що менша деякого порога, і розмикає його при перевищенні порога, то таку схему називають релейним або двопозиційним стабілізатором. Якщо регулювання напруги відбувається в результаті зміни частоти проходження імпульсів, то таку схему називають стабілізатором з частотною модуляцією. Найбільше поширення одержав принцип широтно-імпульсної модуляції (ШІМ).

Ланцюги й елементи, через які проходить струм навантаження, прийнято називати силовою частиною (блоком) стабілізатора.

Як було сказано вище, в імпульсних стабілізаторах напруги (ІСН) регулюючий елемент (транзистор) працює в режимі переключень. В цьому режимі робоча точка транзистора значну частину періоду комутації знаходиться в області насичення або відсічення, а зону активної області проходить з високою швидкістю тільки в моменти переключення. Значення середньої потужності, що розсіюється на регулюючому транзисторі, в цьому разі, набагато менше, ніж при його роботі в безперервному режимі. Тому імпульсні стабілізатори напруги в порівнянні з лінійними мають більш високий ККД і, при високій частоті переключення, кращі масогабаритні показники.

Недоліки імпульсних стабілізаторів: більш складна схема управління, підвищений рівень шумів, радіоперешкод і пульсації вихідної напруги, а також гірші динамічні характеристики [1, 2, 3].

2.3 Типи імпульсних стабілізаторів

По способу побудови силової частини імпульсні стабілізатори постійної напруги (рис.2.2) розподіляються на три типи [1, 2, 3]:

з послідовно включеними регулюючим елементом, дроселем та навантаженням (рис. 2.2,а);

з дроселем, включеним послідовно з навантаженням, та регулюючим елементом, підключеним паралельно навантаженню (рис. 2.2,б);

з дроселем, підключеним паралельно навантаженню, і регулюючим елементом, включеним послідовно з навантаженням (рис. 2.2,в);

Рис. 2.2

У схемі ІСН першого типу напруга на навантаженні завжди менше напруги живлення U_п (U_вх на рисунку) -стабілізатор, що понижує. При відкритому регулюючому транзисторі відбувається передача енергії від джерела живлення в навантаження. Одночасно з цим накопичується енергія в дроселі і конденсаторі. При закритому транзисторі накопичена в дроселі і конденсаторі енергія надходить (для дроселя через діод) в навантаження. Слід зазначити, що наявність конденсатора С_н в цій схемі не є принципово необхідним. Однак при відсутності конденсатора для одержання малої пульсації вихідної напруги ІСН потрібна велика індуктивність дроселя.

Вихідна напруга ІСН другого типу (рис. 2.2,б) більше напруги живлення U_п (стабілізатор, що підвищує). Це забезпечується за рахунок періодичного підключення дроселя до джерела напруги U_п через насичений транзистор VT (при цьому навантаження споживає енергію, яка раніше була накопичена в конденсаторі С_н), те до конденсатора С_н через діод VD. При цьому, коли транзистор закритий, на навантаження і на конденсатор надходить сумарна енергія джерела живлення і дроселя.

У ІСН третього типу (рис. 2.2, в) можливе отримати на навантаженні напругу іншої полярності ніж полярність вхідного джерела живлення (стабілізатор, що інвертує полярність напруги). Значення вихідної напруги такого стабілізатора в залежності від відносної тривалості відкритого стану регулюючого транзистора може бути як більше, так і менше напруги вхідного джерела живлення U_п. Накопичення енергії в L і С_н, а також передача енергії від цих елементів і джерела живлення в навантаження відбувається аналогічно схемі на рис. 2.2, а,б. (У курсовому проекті стабілізатор типу, що інвертує, не розглядається.)

Система управління (СУ) дозволяє одержати задану стабільність напруги U_н на навантаженні. Вхід СУ у всіх трьох типах ІСН через вимірювальний пристрій (ВП) приєднується до навантаження для формування сигналу неузгодженості в ланцюзі зворотного зв'язку, а її вихід (ПП) - до бази регулюючого транзистора для управління його включенням і виключенням. Стабілізація вихідної напруги ІСН при змінах вхідної напруги або струму навантаження здійснюється зміною шпаруватості імпульсів напруги на вході фільтра, що згладжує та зменшує до заданого рівня пульсацію напруги на навантаженні.

3. РОЗРАХУНОК ЕЛЕМЕНТІВ СИЛОВОГО БЛОКУ

3.1 Визначення вимог до елементів силового блоку стабілізатора, що знижує

Функціональна схема імпульсного стабілізатора понижуючого типу приведена на рис. 3.1 (структурна - на рис. 2.2,а). На ній уточнено склад регулюючого елемента і запропоновано один з можливих варіантів його виконання у вигляді складеного на транзисторах різної провідності. Інші варіанти реалізації можна знайти в [1 4].

Рис. 3.1

Силова частина стабілізатора містить в собі регулюючий елемент на основі транзистора, що працює в ключовому режимі, діод, дросель і конденсатор. В результаті розрахунку повинні бути обрані типи цих елементів [1].

При відкритому транзисторі протягом часу t_u (рис. 2.2,г) енергія від вхідного джерела постійного струму U_п (U_п = U_вх) передається в навантаження через дросель L, у якому накопичується надлишкова енергія. При закритому транзисторі протягом часу t_п накопичена в дроселі енергія через діод VD передається в навантаження.

Введемо позначення:

період комутації (перетворення) T_п = t_u + t_n;

частота комутації (перетворення) f_n = 1 / T_n = 1 / ( t_u + t_n).

Приймаємо орієнтоване значення ККД в діапазоні:

h_ст = 0,85...0,95.

Визначаємо мінімальне і максимальне значення відносної тривалості (коефіцієнта заповнення) імпульсу напруги на вході фільтра:

g _min= U_{н мін} / (h _ст U_{п мак});

g _max = U_{н мак} / (h _ст U_{п мін}).(3.1)

З умови збереження режиму неперервності струмів дроселя визначаємо його мінімальну індуктивність:

L_min і U_{H мак} (1 - g_min) / (2 I_Hмин f_П). (3.2)

Обчислюємо добуток LC_н по значенню заданих пульсацій в навантаженні:

LC_н = U_{н мін} (1 - g_мin) / (16 U_п f²). (3.3)

Амплітуда змінного струму конденсатора

I_{С мaк}= U_{н мін} (1 - g_мin) / (2 L f_п). (3.4)

Граничні (максимальний і мінімальний) струми дроселя при максимальному навантаженні:

I_{L мах}= I_{н мах} + I_{с мах},

I_{L мін}= I_{н мін} - I_{с мaк} (3.5)

Визначаємо вимоги до регулюючого транзистора по струму і напрузі:

I_{K мaк} і (1,2...1,5) I_{н мак};

U_{КЕ мак}і (1,2...1,5) U_{п мак}. (3.6)

На основі отриманих величин вибираємо транзистор [5] і приводимо його основні параметри. (Уточнення вимог, зв'язаних зі швидкодією транзисторів, наводиться нижче в розділі 3.4.) Аналогічно визначаємо вимоги до імпульсного діода і по довіднику [6] вибираємо його:

I_пpі (1,2...1,5) I_{L мак};

U_звор і (1,2...1,5) U_{п мак}, (3.7)

де I_пp, U_звор - довідкові значення прямого струму та зворотної напруги діоду.

Задаючи коефіцієнт насичення транзистора К_н, знаходимо струм насичення бази:

I_{б нас} = К_н I_{L мак} / h_{21Е мін,} (3.8)

де h_21мін - мінімальне (довідкове) значення коефіцієнта передачі струму обраного транзистора.

Тому що береться мінімальне значення коефіцієнта передачі h_21Е , те коефіцієнт насичення рекомендується вибирати невеликим (К_н 1,1 1,2).

Задаючи [7] струм I_R1 резистора R1 знаходимо його опір:

R1 = U_{бе нас} / I_{R1 ,} (3.9)

де U_{бе нас} - довідкове значення напруги насичення бази транзистора VT1.

Уточнюємо номінал та тип резистора [8]. Він повинний бути здатним розсіяти потужність, яка на ньому виділяється:

_, (3.10)

де U_R - спадання напруги на резисторі (у даному випадку U_R = U_{бе нас});

R_ном - номінальний опір резистора (у даному випадку R_ном = R1).

Сумарний струм резистора і бази транзистора VT1 є струмом навантаження транзистора VT2. Вводячи його у вираз (3.6), визначаємо вимоги до параметрів та вибираємо тип транзистора. Номінали резистора R2, що стоїть у ланцюзі база-емітер транзистора VT1, визначаються аналогічно тому, як це робилося для резистора R1.

3.2 Визначення вимог до елементів силового блоку стабілізатора, що підвищує

Функціональна схема стабілізатора підвищувального типу зображена на рис. 3,3. Силовий блок містить ті ж елементи, що і силовий блок стабілізатора понижуючого типу - дросель, транзистор, діод і конденсатор. В результаті розрахунку повинні бути обрані типи цих елементів [1].

Рис. 3.2

На інтервалі часу 0 - t транзистор VT закритий, струм дроселя протікає через діод VD в навантаження і конденсатор Сн. При цьому напруга на дроселі дорівнює U_н - U_п - U_{пр д}, а на транзисторі - U_н - U_{пр д} В момент часу t₁ відкривається транзистор VT і через нього йде струм. Відбувається накопичення енергії в дроселі за рахунок його підключення до джерела живлення через насичений транзистор VT. Струм дроселя зростає від I_L до I_Lмак. При цьому u_КЕ = U_{КЕ нас}; u_L = U_п - U_{КЕ нас}; u_д = U_н - U_{КЕ нас}. Потім, після зняття управляючої напруги, транзистор закривається і знак протиЕДС дроселя змінюється на зворотний, забезпечуючи більш високу напругу на навантаженні. Весь процес повторюється.

Задаючи коефіцієнт корисної дії, визначаємо мінімальне, номінальне та максимальне значення відносної тривалості відкритого стану регулюючого транзистора:

; ; . (3.11)

З умови забезпечення режиму неперервності струму дроселя визначаємо його мінімальну індуктивність:

. (3.12)

Знаходимо максимальний, середній та мінімальний струм дроселя при максимальному навантаженні:

; ;

. (3.13)

Ємність конденсатора з умови допустимих пульсацій:

. (3.14)

Визначаємо вимоги до регулюючого транзисторові по струму і напрузі:

I_{K мax} і (1,2...1,5) I_{L ср};

U_{КЕ мак}і (1,2...1,5) U_{н мак}. (3.15)

На основі отриманих величин вибираємо транзистор [5] і наводимо його основні параметри. (Уточнення вимог, пов'язаних зі швидкодією транзисторів, приводиться нижче в розділі 3.4.) Аналогічно визначаємо вимоги до імпульсного діода і по довіднику [6] вибираємо його тип:

I_пpі (1,2...1,5) I_{L мак};

U_звор і (1,2...1,5) U_{н мак}, (3.16)

де I_пp, U_звор - довідкові значення прямого струму та зворотної напруги діоду.

Задаючи коефіцієнт насичення транзистора К_н, знаходимо струм насичення бази:

I_{б нас} = К_н I_{L мак} / h_{21Е мін,} (3.17)

де h_21Е - мінімальне (довідкове) значення коефіцієнта передачі струму обраного транзистора.

Через те що береться мінімальне значення коефіцієнта передачі h_21Е, коефіцієнт насичення рекомендується вибирати невеликим (К_н 1,1 1,2).

Задаючи [7] струм I_R резистора R, знаходимо його опір:

R = U_{бе нас} / I_{R ,} (3.18)

де U_{бе нас} - довідкове значення напруги насичення бази транзистора VT.

Уточнюємо номінал і тип резистора [8]. Він повинний бути здатним розсіяти потужність, що на ньому виділяється (вираз 3.10)).

Сумарний струм резистора і бази транзистора VT є струмом навантаження вихідного каскаду схеми управління.

3.3 Визначення параметрів дроселя і конденсатора

Вихідними даними для розрахунку є значення мінімальної індуктивності, добутку LC_н або ємності і струмів, що були обчислені згідно методики, яка була розглянута в розділі 3.1 або 3.2. Наступний метод розрахунку, якій пропонується, в основному побудований на методиці, що взята з [3]. Допустимо використовувати інші способи розрахунку, в результаті яких повинні бути визначені:

тип і розміри магнітопроводу дроселя;

кількість витків та діаметр проводу;

тип конденсатора.

Пропонується використовувати в якості магнітопроводу дроселя тороідальні сердечники з фериту. Деякі геометричні параметри і параметри, які використані в розрахунках для стандартних сердечників, наведені в додатку 2, креслення сердечника - на рис. 3.3.

Орієнтоване значення габаритної потужності дроселя:

- для стабілізатора, що знижує ;

- для стабілізатора, що підвищує. (3.19)

Кількість витків W та діаметр проводу d визначають за формулами:

;(3.20)

,(3.21)

Рис. 3.3

де _м - відносна магнітна проникність, яка обумовлена типом обраного фериту (не рекомендується використовувати ферити з _м (1000 2000));

₀ = 4 10^-9 - абсолютна магнітна проникність;

J - щільність струму в обмотці.

Вибираємо провід, що має найближчий більший діаметр, та уточнюємо площу його перерізу. В таблиці додатку 3 приведені дані про деякі типи проводів. Їх значно більшу номенклатуру можна знайти в [1].

По співвідношенню площин вікна сердечника та сумарної площі витків проводу перевіряємо можливість намотування дроселя: площа вікна повинна не менш ніж у два рази перевершувати перетин усіх витків проводу. Якщо це не виконується, то вибирається сердечник більшого розміру і розрахунок повторюється. (В пояснювальній записці наводяться дані остаточного варіанта.)

Визначаємо загальну довжину l проводу й опір r обмотки дроселя, що з урахуванням позначень рис.3.3, дорівнюють:

(3.20)

Ємність конденсатора фільтра (для стабілізатора, що зменшує)

C і (LС_н ) / L. (3.21)

Для стабілізатора, що підвищує, ємність була визначена раніше (вираз (3.14)).

Вибираємо конденсатор [7], здатний працювати з імпульсними сигналами при заданій частоті переключень і максимальній напрузі стабілізатора. Практично усі використовувані конденсатори будуть електролітичними. Можливість їхнього застосування, у більшості випадків [7], оцінюється по припустимій величині змінної напруги на заданій частоті переключень. В абсолютних одиницях (вольтах) - це напруга пульсацій, у відносних -

U_відн = U_пульс / U_{н мін.} (3.22)

3.4 Розрахунок енерговитрат силового блоку

Основні витрати енергії у вузлах силового блоку зв'язані з процесами, що відбуваються при переключенні. Тому необхідно визначити параметри, що характеризують швидкодію елементів, і, насамперед, силового транзистора. Їхній розрахунок проведемо на основі методики, викладеної в [7].

Час включення і виключення транзистора визначаються як швидкодією самого транзистора, так і тривалістю фронтів управляючого сигналу:

t_вкл = t²_вкл + t²_Ф ;

t_вик = t²_вик + t²_Ф , (3.23)

де t_вкл , t_вик - тривалість часу включення і виключення транзистора;

t_Ф - тривалість фронтів управляючого сигналу.

Управляючим сигналом для транзистора VT рис. 3.2 і VT2 рис. 3.1 є сигнал, що надходить з системи управління. В свою чергу, сигнал з виходу транзистора VT2 є керуючим сигналом для транзистора VT1 (рис. 3.1). Тому розрахунок можна робити після визначення характеристик швидкодії схеми управління (розділ 4).

Часи включення і виключення, які обумовлені властивостями самого транзистора, знаходять за формулою:

t_вкл = Ln (К_н /(К_н - 1));

t_вик = 2,3 , (3.24)

де К_н - коефіцієнт насичення транзистора (розділ 3.2);

= 1 / (2 f_{гр ОЕ}); (3.25)

де f_{гр ОЕ} - гранична частота транзистора в схемі з ОЕ.

Якщо в довіднику приводиться гранична частота транзистора в схемі з ОБ (f_{гр ОБ}), то

= h_21Е / (2 f_{гр ОЕ}). (3.25)

Втрати потужності на транзисторі визначаються втратами в режимі насичення та динамічними (що виникають під час переключень):

P_тр P_{К нас} + P_{К дин.} (3.26)

Розрахунок складових потужності різний для стабілізаторів понижуючого і підвищувального типів:

стабілізатора, що знижує:

P_{К нас} = g_max I_{н макс} U_{КЕ нас} ;

P_{К дин} = 0,5 f_n U_{n мак} (I_{н мак} t_вкл + I_{L мак} t_вик); (3.27)

стабілізатора, що підвищує:

P_{К нас} = g_max I_{L ср} U_{КЕ нас} ;

P_{К дин} = 0,5 f_n (U_{н мак} - U_пр)(I_{н мак} t_вкл + I_{L мак} t_вик). (3.28)

Необхідно відзначити, що при використанні складеного транзистора (рис. 3.1),

U_КЕ = U_{КЕ насVT2} + U_{бе насVT1}. (3.29)

Обраний транзистор повинний бути здатним розсіяти потужність, що визначається співвідношенням:

P_{к макс доп} (1,2...1,5) P_тр (3.30)

Часи переключення діода (час відновлення зворотного опору) звичайно береться з довідників [6]. В табл. 3.1 приведені значення параметрів деяких діодів, які можуть бути застосовувані в імпульсних ланцюгах.

Тип діода	Іпр, А	Uзв, В	Uпр. В	tвід.зв, мкс
КД510А	0,2	50	1,1	0,004
КД522А	0,1	50	1,1	0,004
КД212А	1	200	1	0,3
КД213(А-Г)*	10	100 … 200	1	0,3
2Д217А,Б*	3	100, 200	1,2	0,2
2Д216А,Б*	10	100, 200	1,2	0,3
2Д118А-1*	0,3	200	1,2	0,3
КД204А,Б,В*	0,4 … 1	50 … 400	1,4	1,5
КД212А,Б*	1	100 … 200	1	0,3

* - параметри необхідно уточнити в залежності з модифікацією приладу [6].

Потужність, що розсіюється на діоді:

P_д = I_{н мах} U_пр (1 - g_min)+f U_{n мак} (I_{L mак} - I_{L min}) t_від.зв / 6. (3.31)

Отримана величина також повинна бути менше припустимої для обраного діода.

Потужність розсіяння в дроселі:

P_L = I²_{н мак} r.

4. СХЕМА УПРАВЛІННЯ

4.1 Загальні положення

Пристрій управління повинен забезпечити надійне відкриття/закриття транзисторного ключа імпульсами, що надходять з частотою, яка задана технічним завданням. Нижче описана система управління з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), що одержала найбільше поширення.

Структурна схема блоку управління зображена на рис. 4.1.

Рис. 4.1.

На вхід диференціального підсилювача неузгодженості (похибки) за допомогою дільника R1 R2 R3 подається частина вихідної напруги стабілізатора. Воно порівнюється зі стабільною напругою (Uоп) джерела опорної напруги (ДОН). Посилена різниця напруги подається на один із входів компаратора (Com). Його другий вхід приєднаний до генератора, напруга якого лінійно змінюється (ГЛЗН). Компаратор переключається, коли один з його вхідних сигналів стає більше іншого. Полярність вихідних імпульсів компаратора визначається полярністю імпульсів, що відкривають регулюючий транзистор силової частини, та наявністю (відсутністю) вихідного імпульсного підсилювача в блоці управління. Останній вводиться в блок, якщо в базу силового транзистора необхідно подати струм більший, ніж той, котрий можуть дати елементи, що використані в компараторі. Звичайно він будується на основі ще одного додаткового транзисторного ключа, якій можна розглядати як елемент силової частини, що показано на рис. 3.2 - транзисторний ключ VT2.

Всі активні елементи блоку управління, або їхня частина, можна сформувати на основі інтегральних мікросхем. Їхній розрахунок залежить від обраної схемотехники, приклади якої можна знайти в [1, 4, 7, 10, 11]. Наприклад, вхідний диференціальний підсилювач можна побудувати на основі інтегрального операційного підсилювача (ОП). Схеми ГЛЗН можна взяти з [7], причому його тип (пилкоподібний або трикутний) може бути обраний довільно, а краще - відповідно до варіанта, який був розрахований при виконання контрольної роботи №2. При побудові компаратора може бути використана або спеціалізована ІМС компаратора [12], або він може бути розроблений на основі інтегрального підсилювача [10, 11, 13]. Деякі з зазначених варіантів побудови вузлів будуть описані далі. Однак, використовувати ІМС К142ЕП1 в заданому варіанті стабілізатора не допускається, тому що використання її в нових розробках заборонено [14]! Можна розробити стабілізатор на спеціалізованій мікросхемі [12], але як додатковий варіант його виконання.

Нагадуємо, що згідно ТЗ живлення всіх елементів необхідно організувати від одного з наявних у стабілізаторі напруги (вхідного або вихідного).

Вимоги до основних параметрів складових частин блоку управління можна визначити за формулою, що визначає залежність коефіцієнта передачі блоку управління К_шім і коефіцієнта розподілу дільника вихідної напруги К_д, коефіцієнта підсилення підсилювача неузгодженості К_п й амплітуди сигналу генератора U_амп:

. (4.1)

Коефіцієнт передачі блоку управління стабілізатора залежить від заданого коефіцієнта стабілізації К_ст:

К_шім = (К_ст - 1) / U_{н мін.} (4.2)

4.2 Підсилювач похибки неузгодженості

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 4.2.

На рис. 4.2 зображена схема підсилювача неузгодженості і зв'язаних з ним ланцюгів - дільника вихідної напруги та джерела опорної напруги.

Підсилювач неузгодженості (ПН)сформований на основі операційного підсилювача DA за схемою диференціального підсилювача [12]. При

R7 = R8 і R9 = R10

коефіцієнт підсилення визначається виразами:

К_у = R10 / (R7 +R_{вих діл}) = R9 / (R8 + R_{діл ст}), (4.3)

де R_{вих діл,} R_{діл ст} - еквівалентні опори дільників вихідної напруги і напруги стабілізатора.

Вираз (4.3) правомірний при рівності еквівалентних опорів дільників, або коли

R7 R_{вих діл}; R8 R_{діл ст} . (4.4)

Задаючи струм вихідного дільника I_діл можна визначити загальний опір вихідного дільника:

R1 + R2 + R3 = U_н / I_діл. (4.5)

Виходячи з необхідності забезпечення заданого діапазону регулювання вихідної напруги з врахуванням можливого розсіяння номіналів елементів, вибираємо співвідношення опорів дільника і визначаємо опір кожного резистора [8]. Якщо

I_діл U_{н мак} 0,45 0,5 Вт,

те потужність резисторів береться рівним 0,125 Вт. Інакше значення номінальної потужності уточнюється відповідно до виразу (3.10).

Середнє значення вихідного опору вихідного дільника напруги і середнє значення його вихідної напруги:

;

. (4.6)

Вибираємо основний елемент джерела опорної напруги - стабілітрон [6] і наводимо його параметри, які необхідні для наступних розрахунків. Напруга на резисторі R6 повинна дорівнювати U_{вих діл}. Для цього необхідно, щоб

, (4.7)

де U_ст - номінальна напруга стабілізації стабілітрона, який був обраний.

З іншого боку, вихідний опір ІОН повинен дорівнювати вихідному опору дільника, тобто:

R5 R6 / (R6 + R5) = R_{вих діл} . (4.8)

З останніх виразів маємо:

R5 = R_{вих діл} / р;

R6 = R_{вих діл} / (1 - р). (4.9)

Струм дільника (R5 R6) напруги стабілітрона

I_{діл ст} = U_ст / (R5 + R6) (4.10)

Задавши струмом стабілітрона I_ст, маємо:

R4 = (U_н - U_ст) / (I_ст + I_{діл ст}) . (4.11)

З урахуванням нерівності (4.4) вибираємо опори R7 = R8, а потім визначаємо

R9 = R10 = R7 * К_п. (4.12)

Після обчислення опору кожного з резисторів робимо уточнення його номіналу по опору [8] і потужності (вир. (3.10)). Якщо значення опору входить у наступні обчислення, то в них використовується його номінальна величина.

Вибираємо інтегральний операційний підсилювач [10 13] і наводимо його параметри, що обґрунтовують правомірність його використання. ОП повинний допускати живлення від вихідної напруги стабілізатора і застосування розрахованих резисторів [7].

4.3 Генератор напруги, що лінійно змінюється

На рис. 4.3 зображена схема генератора напруги, яка має трикутний вид. Це один із двох видів ГЛЗН, які розглянуті у другий контрольний роботі методичних указівок [7]. Студент може використати інший тип генератора. Необхідно тільки, щоб він відповідав наступним вимогам:

забезпечував необхідну амплітуду напруги з нелінійністю не більш 1 - 2%;

був здатний виконувати свої функції при живленні від однієї з напруг стабілізатора (вихідної або вхідної);

постійний рівень вихідної напруги повинен бути рівним напрузі підсилювача похибки неузгодженості.

Дані вимоги досить просто виконати на запропонованому ГЛЗН. Для цього необхідно вибрати відповідний тип ОП і задатися величиною вихідної напруги меншої половини використовуваної напруги живлення. Як операційний підсилювач може бути використаний підсилювач, тип якого був визначений у попередньому розділі.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 4.3.

Генератор, який далі розглядається, має два операційні підсилювача, перший з яких виконує функції компаратора, другий - інтегратора. Потенціометр R4 призначений для регулювання амплітуди вихідного трикутного сигналу, R5 - частоти проходження.

Прив'язка вихідної напруги генератора до середнього рівня напруги підсилювача неузгодженості реалізована дільником із двох резисторів R1 і R2, приєднаних до вихідної напруги стабілізатора. Їхні опори повинні відповідати виразу: