Стабилизаторы постоянного напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

стабилизатор напряжение ток

Введение

1. Выбор и анализ структурной схемы

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы

3. Расчёт принципиальной схемы

4. Расчёт КПД устройства

Заключение

Список литературы



Введение

Высокие технико-экономические показатели радиоэлектронных устройств во многом зависят от параметров источников вторичного электропитания.

Наиболее распространенной являются ИВЭ (источники вторичного электропитания), состоящие из источника переменного напряжения, выпрямителей и стабилизаторов постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как стабильные источники питания, обеспечивающие надежность работы, в других - еще и как источники эталонного (образцового) напряжения.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники практически любой мощности, точности и небольших габаритов. В качестве таких источников большое распространение получили транзисторные стабилизаторы напряжения, обладающие хорошей экономичностью, малой массой и габаритами. Они позволяют получить питание различных нагрузок (в том числе и импульсного характера), широкий диапазон стабилизированных напряжений от долей до нескольких сотен вольт, токи нагрузок от нескольких миллиампер до нескольких ампер, низкое внутреннее сопротивление.

Источники питания являются одним из наиболее распространенных узлов современной радиоэлектронной аппаратуры. Качество источников питания - надёжность, экономичность, эксплуатационные данные, габариты - в значительной мере определяет технические модели устройства в целом.

Постоянное повышение требований к техническим характеристикам радиоэлектронных устройств приводит к тому, что и к вторичным источникам питания предъявляются всё более жесткие требования.

Напряжение всякого источника питания, будь то аккумуляторная батарея или выпрямитель, как правило, нестабильно. Кроме того, изменение тока, выделяемого радиоэлектронным устройством в процессе его работы, также ведёт к изменению напряжения питания, причём эти изменения тем значительнее, чем больше внутреннее сопротивление источника. Нестабильность питающих напряжений вызывает изменение режимов работы радиоэлектронной аппаратуры. Значительное увеличение питающего напряжения может вызвать пробой конденсаторов, перегрев компонентов аппаратуры и другие явления, приводящие к выводу её из строя. Таким образом, для питания современной радиоэлектронной аппаратуры бытового назначения, а особенно электрорадиоизмерительной и специальной нужно иметь напряжение повышенной стабильности. Этим обусловлен тот факт, что абсолютное большинство источников питания радиоэлектронной аппаратуры выполняется с использованием стабилизаторов напряжения или тока.



1. Выбор и анализ структурной схемы

Стабилизатором постоянного напряжения называют устройство, поддерживающее автоматически и с требуемой точностью постоянное напряжение на нагрузке при воздействии дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах или стабилизатором напряжения принято называть устройство, включаемое в канал передачи энергии с целью уменьшения относительных изменений напряжения потребителем энергии при воздействии различных факторов.

Дестабилизирующие факторы можно разделить на внешние и внутренние. К внешним факторам относятся изменение входного питающего напряжения, сопротивления нагрузки, колебания температуры окружающей среды, а также ряд других: воздействия электрических и магнитных полей, излучений, влаги, атмосферного давления и т.п.

К внутренним дестабилизирующим факторам относятся изменения напряжений источников внутри самого стабилизатора, изменение параметров (нестабильность) различных элементов схем транзисторов, резисторов и т.д.

Стабилизаторы напряжений характеризуются следующими параметрами:

Номинальное входное напряжение Uвх - номинальное напряжение источника электроэнергии, осуществляющего питание нагрузки через стабилизатор заданным номинальным током.

Номинальное выходное напряжение Uн - стабилизированное напряжение, поступающее с выхода стабилизатора для питания нагрузки.

Номинальный выходной ток Iн-ток, потребляемый нагрузкой.

Относительная нестабильность выходного напряжения характеризует допустимое относительное отклонение стабилизированного напряжения от его номинального значения при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Коэффициент стабилизации Кст - характеризует стабильность выходного напряжения Uн при изменении входного напряжения Uвх и показывает, во сколько раз улучшается стабильность выходного напряжения по сравнению со стабильностью питающего напряжения.

Кст= (ДUвх/ Uвх)/(ДUн/Uн)

где ДUвх - абсолютное изменение питающего напряжения.

Выходное сопротивление Rвых - характеризует стабильность выходного напряжения Uн при изменении тока нагрузки Iн и неизменном напряжении источника питания Uвх:

Rвых= ДUн/Д Iн

Температурный коэффициент напряжения - характеризует степень стабильности напряжения Uн при изменениях температуры

Температурный коэффициент напряжения = ДUн/ДТс

Коэффициент полезного действия з - характеризует экономичность стабилизатора и определяется как отношение мощности, потребляемой нагрузкой, к мощности, поступающей на вход стабилизатора.

з=Pн/Pвх=(Uн *Iн)/(Uвх*Iвх)

По используемому принципу действия полупроводниковые стабилизаторы напряжения (ПСН) делятся на параметрические и компенсационные.

Параметрическими называют стабилизаторы, у которых регулирующий элемент воздействует выходное напряжение таким образом, чтобы приблизить его к заданному без оценки их разности. В таких стабилизаторах нет обратной связи с выхода стабилизатора на вход РЭ, поэтому управляющий сигнал не зависит от выходного напряжения.

Рис. 1. Схема параметрического стабилизатора

Схема простейшего стабилизатора напряжения, называемого параметрическим, приведена на рис. 1. В этой схеме стабильность выходного напряжения определяется в основном параметрами стабилитрона. Колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят к изменению тока через стабилитрон, однако напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, изменяется незначительно. Это наиболее простые, но и наименее совершенные стабилизаторы.

Более высокое качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, представляющих собой автоматические регуляторы, в которых фактическое выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением, подаваемым с источника опорного напряжения И на элемент сравнения (ЭС) (рис. 2). Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается усилителем (У) и воздействует на регулирующий элемент (Р) стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки, реже -- гальванические батарейки.

Рис. 2. Структурная схема последовательного компенсационного стабилизатора

По способу включения регулирующего элемента различают последовательную и параллельную схемы стабилизации напряжений. В первом случае РЭ включается последовательно с нагрузкой, во втором - параллельно.

В стабилизаторах последовательного типа (рис. 3) регулирующий элемент включен последовательно с источником входного напряжения U_BX и нагрузкой R_H. Если по тем или иным причинам (например, из-за нестабильности U_BX или при изменении R_u) напряжение на выходе Uвых отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжения изменится. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение Uвх распределится между P и Rн таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.

В схеме параллельного типа (рис. 3) при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействует на регулирующий элемент, включенный параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента Ip изменяется, падение напряжения на сопротивление R1 также меняется, а напряжение на выходе Uвых = Uвх - I_вхRl остается стабильным.

Рис. 3. Структурная схема параллельного стабилизатора

Сравнительная оценка стабилизаторов различного типа

Параметрические стабилизаторы напряжения являются наиболее простыми устройствами. Однако большой коэффициент стабилизации можно получить, применяя каскадное соединение стабилизаторов. Но КПД такой схемы очень низок.

Поэтому широкое распространение для питания различных нагрузок получили компенсационные стабилизаторы напряжения.

Компенсационные стабилизаторы последовательного типа обладают значительным КПД, экономичностью в режиме холостого хода и высоким коэффициентом стабилизации. Ввиду этих достоинств именно такие стабилизаторы получили широкое распространение. Однако их весьма существенным недостатком является низкая надёжность при перегрузках и в режиме короткого замыкания в цепи нагрузки, что необходимо при эксплуатации стабилизатора.

Важнейшим преимуществом стабилизатора параллельного типа является высокая надёжность при перегрузках и коротких замыканиях на выходе. Основным недостатком компенсационных стабилизаторов параллельного типа является их относительно низкий КПД, особенно при работе с малыми токами нагрузки.

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы

В настоящее время наибольшее распространение получили схемы стабилизаторов напряжения, выполненные на основе операционных усилителей (ОУ).

Интегральные ОУ имеют встроенные средства ограничения выходного тока, то есть ограничен ток базы регулирующего транзистора и, соответственно, ток нагрузки Iн max=вiб max. Но величина в имеет значительный разброс и растет с увеличением температуры. Поэтому желательно включать схему ограничения выходного тока: резистор R3 и транзистор VT2 (рис.4.). VT2 -- нормально закрытый транзистор, но если падение напряжения на R3 превысит величину, равную приблизительно 0,6 В, транзистор VT2 откроется и предотвратит дальнейшее увеличение базового тока транзистора VT1.

Рис.4. Принципиальная схема стабилизатора с ограничителем тока



3. Расчёт принципиальной схемы

Исходные данные для расчёта:

Номинальное выходное напряжение Uвых=12В

Номинальный ток нагрузки Iн=1 А

Относительное изменение входного напряжения ДUвх= 20%

Коэффициент стабилизации Кст=10

Выходное сопротивление Rвых=0,02 Ом

Частота сети f=400 Гц

Дрейф выходного напряжения (%/С)=0,5

Находим максимальное, среднее и минимальное напряжениие на входе. Определяем наименьшее напряжение на входе стабилизатора:

Uвх min=Uн + Uкэ min=12+3=15 В,

где Uкэ min-минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT1. Исходя из того, что VT1 кремниевый, Uкэ min выбираем в пределе 3..5 В.

Учитывая нестабильность входого напряжения на входе стабилизатора 20%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

Uвх ср= Uвх min/0,80=15/0,80=18,75 В

Uвх max=1,2Uвх ср=1,2*18,75=22,5В

Выбор регулирующего транзистора.

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе:

Uкэ max= Uвх max - Uн=22,5-12=10,5В



Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT1, равняется:

P1= Uкэ max*Iн=10,5*1 А=10,5Вт

По полученным значениям Uкэ max, Iн, P1 выбираем тип регулирующего транзистора.

Марка транзистора	КТ823А-1
Тип транзистора	n-p-n
Допустимый ток коллектора, Iк доп	3 А
Допустимое напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп	45 В
Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред	20 Вт
Минимальный коэффициент передачи тока базы, h21min	25

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

- входное сопротивление транзистора h11э1=250 Ом;

- коэффициент передачи напряжения:

м1= ДUкб1/ ДUэб1=1/ h12э1=1/0,042 = 23,8

м1 - коэффициент передачи напряжения

h12э1 - коэффициент обратной связи. Равен отношению входного напряжения к выходному при разомкнутой входной цепи.

Находим ток базы транзистора VT1:

Iбз=Iн/h21э min=1/25=0,04 А.

Расчёт схемы сравнения и УПТ. Величина опорного напряжения:



Uоп=Uст= (0.6…0.7) Uн=0,6*12=7,2В

В качестве источника опорного напряжения выбран стабилитрон Д815Б

Напряжение стабилизации Uст, В	7,2
Средний ток стабилизации Icт ном, мА	1000
Минимальный ток стабилизации Icт min, мА	50
Максимальный ток стабилизации Icт mах, мА	1100
Дифференциальное сопротивление стабилизатора Rд, Ом	0,8

Температурный коэффициент напряжения стабилизации ТК Uст=0,05(%/С)

Вычислим сопротивление резистора:

Rб= (Uвых- Uоп)/ Icт=(12-7,2) /1=4,8Ом

Выбираем в качестве усилительного элемента ОУ. Критериями выбора являются: симфазное напряжение:Uсф,равное Uст, входное напряжение Uвх, скорость нарастания выходного напряжения ОУ Vuвых.для снижения динамических потерь в РЭ необходимо, чтобы фронт и срез выходных импульсов ОУ не превышал 1-2 мкс. Ориентировочно необходимую величину V uвых можно определить по формуле:

Vuвыx<Uвх/tф 18,75/1-2<7-20 В/мкс

Указанным требованиям удовлетворяет ОУ типа КР574УД2Б

Выбираем ОУ с параметрами:

Коу=1000

Uпит,В=15

Iпотр,мА=10

Uвых,В=10

Ucф,В=5

Vcф,В/мкс=9.4

Расчёт делителя: выбираем ток делителя 5 мА, коэффициент деления 0,6

Резисторы выбираем из ряда номинальных значений сопротивления Е24

R2=Uст/Iдел=7,2/5=1,6кОм

R1=((Uн-Uст)/Uст)R2=1кОм

Выходное сопротивление стабилизатора. Регулирующий транзистор включен по схеме с ОК и охвачен отрицательной обратной связью через ОУ, поэтому:

Rвых=rэ/kоу; rэ=цт/Iэ= 0,025/1=0,025 Ом;

Rвых=25*(10^(-6)) Ом < 0,02 Ом

Коэффициент стабилизации стабилизатора напряжения:

Кст=(Uн* м1*Коу)*Кдел/U вх max= ((12*23,8*1000)/22,5)*0,6= 7616

Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

К_ст = 7616 > К_ст.зад = 10

Нестабильность выходного напряжения определяется увеличением напряжения стабилизации стабилитрона на 0,05 %/С. Нестабильностью резисторов R1и R2 с температурой можно пренебречь, так как оба резистора меняются с одинаковым температурным коэффициентом, так что



Найденные параметры удовлетворяют заданным условиям

Расчёт схемы защиты компенсационного стабилизатора от перегрузки. 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. Схема защиты компенсационного стабилизатора от перегрузки реализована на элементах VT1 и R3. Для расчёта принимаем ток срабатывания защиты равным 120% от Iн:

Iн max= 1,20 Iн=1,20*1=1,20 А

При напряжении на сопротивлении R3, равном 0,7 В, открывается транзистор VT2 и шунтирует регулирующий транзистор VT1.

R3=Uбэ2/ Iн max=0,7/1,2=0,58 Ом

Резистор такого номинала должен быть прецизионным (проволочным).

4. Расчет КПД устройства

Определяем номинальное и минимальное значения КПД:

з_ном = (U_H * I_H)/ (U_ВХ * I_H) = (12 * 1)/ (18,75* 1) = 0,64

з_мин = (UH * IH)/ (UВХ мах * IH) = (12 * 1)/ (22,5 * 1) = 0,53



з_ном =64%

з_мин =53%



Заключение

Курсовой проект выполнен в соответствии с заданием на проектирование. В данной схеме возможно установить элементы индикации о состоянии регулирующего элемента, о перегрузке компенсационного стабилизатора. Вычисленное значение коэффициента стабилизации равно Кст=7616, Кст>Кст зад, следовательно, полученный параметр удовлетворяет исходным данным.

Номинальный КПД устройства превышает 60%, это говорит об эффективности использования стабилизаторов напряжения на основе операционного усилителя.



Список литературы

1. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник/ В.Л. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 904 с.

2. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник/ А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1988. - 528 с.

3. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/ К.М. Брежнева, Т.И. Давыдова и др. Под редакцией Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656 с.

4. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. Для вузов/ В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев.-3-е изд., перераб. и доп.-М. - Высш. шк., 2004. - 790 с.

Размещено на Allbest.ru