Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа с обратной связью

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Название

Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа с обратной связью.

2. Назначение

Устройство предназначено для использования в лабораторных условиях в качестве источника напряжения.

3. Технические характеристики

Входной питание: бытовая сеть .

Выходное напряжение 12В. Ток не более 500 мА.

Пульсации в нагрузке не более 20 мВ.

4. Функциональный состав устройства

Рис. 1 Электрическая схема стабилизатора напряжения

Устройство состоит из первичного источника питания, вырабатывающего постоянное по направлению, но не слишком стабильное по величине напряжение. Первичный источник питания, стабилизатор напряжения и нагрузка включаются последовательно.

Рис. 2 Схема стабилизатора напряжения

U_н = U_ист - ДU _стаб, поэтому возможно компенсировать любые изменения напряжения источника питания, изменяя падение напряжения ДU _стаб и добиваясь выполнения условия U_н = const.

Составим функциональную схему автоматического регулятора:

Рис. 3. Функциональная схема автоматического регулятора напряжения

Перечень функциональных узлов:

* Первичный источник питания - двухполупериодный мостовой выпрямитель, реализованный на элементах Тр1, VD1..VD4, C1

* Регулирующий элемент, реализованный на транзисторном каскаде VT1 (каскад включен по схеме с общим коллектором)

* Эталон (источник опорного напряжения) на основе стабилитрона VD5

* Схема сравнения, реализованная на основе транзисторного каскада на транзисторе VT2 (по схеме с общим эмиттером)

* Усилитель рассогласования, реализованный на каскадах VT1 и VT2.

5. Принцип действия

Первичный источник на своем выходе создает пульсирующее с частотой 100 Гц напряжение. Амплитуда пульсаций зависит от величины конденсатора C1 и тока нагрузки. Уровень напряжения на выходе выпрямителя зависит также от напряжения питающей электрической сети на входе трансформатора Тр1.

Чтобы регулировать падение напряжения, между выпрямителем и нагрузкой включен участок коллектор-эмиттер транзистораVT1. Для того, чтобы можно было управлять падением напряжения, необходимо, чтобы транзистор VT1 находился в активном режиме, то есть ток коллектора VT1 пропорционален току базы. Током базы транзистора VT1 можно управлять, изменяя ток коллектора транзистора VT2. Очевидно, что VT2 также должен находиться в активном режиме. Протекающий через участок коллектор-эмиттер VT2 ток течет через стабилитронVD5, являющийся эталоном. Стабилитрон находится в области пробоя на обратной ветви ВАХ. Таким образом, на эмиттере VT2 формируется весьма стабильное (опорное) напряжение. Напряжение не базу VT2 подается с нагрузки через резистивный делитель R2, R3.

Предположим, что напряжение на нагрузке увеличилось. Тогда увеличиться и напряжение между базой и эмиттером VT2, следовательно, уменьшиться напряжение на коллекторе VT2. Уменьшение напряжения на коллекторе VT2означает уменьшение напряжения на базе VT1, включенного по схеме с общим коллектором, то есть являющегося эмиттерным повторителем. Поэтому напряжение на эмиттере VT1 понизится - вернется в исходное состояние. А изменение напряжения на эмиттере VT1 - это изменение напряжения на нагрузке.

Уменьшение напряжения на нагрузке приведет к обработке схемой в сторону увеличения. То есть в схеме существует отрицательная обратная связь.

6. Эскизный расчет

Выбор транзистора VT1

Предельно допустимый ток коллектора (I_кmax): I_кmax должен быть по крайней мере на 25…50% больше максимального тока нагрузки. То есть подойдет транзистор, имеющий I_кmax не менее 1А.

Предельно допустимая мощность (P_кmax), рассеиваемая на коллеторе транзистора: напряжение на эмиттере VT1 равно напряжению нагрузки (12В). Для того, чтобы VT1 находился в активном режиме, напряжение между его коллектором и эмиттером должно быть не менее 0.8…1.5В. Примем за минимальную допустимую величину перепад напряжения U_кэVT1min = 1.5В. Поскольку напряжение на коллекторе VT1 пульсирует с частотой 100 Гц на величину ДU_выпр = 0.5 В. Таким образом, минимальный перепад напряжения придется увеличить на величину ДU_выпр. Величина питающего сетевого напряжения 220 В может уменьшиться на 15%. В результате напряжение на выходе выпрямителя будет на 15% ниже, чем U_н + U_кэVT1min + ДU_выпр = 14В. Поэтому добавим 2.1 В. Также возможно увеличение сетевого напряжения на 10%, что приведет к увеличению напряжения на коллекторе VT1 = 16.1 + 1.4 = 17.5 В (округлим до 18). Таким образом, максимально возможный перепад между коллектором и эмиттером VT1 составляет 6 В, что при токе 0.5 А дает мощность 3 Вт.

Частотный диапазон: будем учитывать в качестве основного источника помех - сетевую пульсацию (100 Гц), тогда VT1 может быть низкочастотным.

Транзистор ГТ705А германиевый сплавной, n-p-n [Транзисторы (справочник). М.: Радио и связь, 1989 г.]

Постоянный ток коллектора 3,5 А

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 15 Вт

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер 20 В

Статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ 50…100

Обратный ток коллектора не более 0,5 мА

Выбор радиатора для транзистора VT1

Выбранный транзистор при отсутствии радиатора постоянная рассеиваемая мощность не может превышать 1.6 Вт, а в проектируемом устройстве выделяемая мощность на транзисторе VT1 3Вт. Таким образом, необходимо поставить радиатор, отводящий 1,4 Вт. Возьмем с запасом: 3 Вт.

Рис. 4 Диаграммы для расчета пластинчатых радиаторов [В.В. Лурье, А.Н. Пустыгин.ЭЛЕКТРОНИКА.



Выберем габариты радиатора исходя из графика: зададим допустимый перегрев Дt = 40єС. Необходимо отвести 3 Вт. Таким образом, получаем площадь радиатора приблизительно 75 см².

Выбор транзистора VT2 и стабилитрона VD5

Транзистор VT2 управляет базовым током транзистора VT1 за счет изменения своего коллекторного тока. Так как напряжение на эмиттере VT1 постоянно и равно 12 В, на базе VT1 (коллекторе VT2) больше приблизительно на лыжу (для германиевого транзистора 0,4…0,5 В) и равно 12,5 В. Напряжение на выходе выпрямителя пульсирует от 16 В до 14 В, что не приводит к значительному изменению тока через резистор R1, поэтому в первом приближении будем считать это тока постоянным. Ток резистора R1 делится между базой VT1 и коллектором VT2. Зная коэффициент передачи тока VT1, определим его базовый ток: I_бVT1 = I_{н max} / в_VT1 = 500/100 = 5 мА. Чтобы эффективно влиять на величину базового тока VT1, транзистор VT2 должен изменять свой коллекторный ток на такую же по порядку величину, причем минимальный ток коллектора должен быть не менее минимального тока стабилизации VD5. Выберем стабилитрон с минимальным током стабилизации равным 1 мА, выберем коллекторный ток VT2 равным 2 мА. Напряжение пробоя стабилитрона задает напряжение на эмиттере VT2. Поскольку VT2 работает в активном режиме, а напряжение на его коллекторе 12,5 В, напряжение пробоя стабилитрона на должно превышать 11,5 В. Выберем стабилитрон КС407Д с напряжением пробоя 6,8 В. Тогда максимальное напряжение U_кэVT2 = 5,7 В при токе 2 мА.

Стабилитрон КС407Д [Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, опто-

электронные приборы (справочник) (под. ред. Н.Н. Горюнова).

М.: Энергоатомиздат, 1987 г.]

Напряжение стабилизации U_ст.ном. 6,8 В

Ток стабилизации I_ст.min 1 мА

Максимальная мощность P_max 400 мВт

Дифференциальное сопротивление r_ст 4,5 Ом

Транзистор КТ315А кремниевый усилительный высокочастотный маломощный [Транзисторы (справочник). М.: Радио и связь, 1989 г.]

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер 6,8 В

Постоянный ток коллектора 1 мА

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 400 мВт

Расчет резисторов

Падение напряжения на резисторе R1: U_R1 = 18 В - 12,5 В = 5,5 В. Протекающий ток: I_R1 = I_бVT1 + I_кVT2 = 5 мА + 2 мА = 7 мА. Таким образом, R1 = 785 Ом.

Резисторы R2 и R3, образующие резистивный делитель, задают постоянное смещение на базе VT2, равное 6,8 + 0,7 = 7,5 В. Чтобы потенциал базы определялся резистивным делителем и практически не зависел от тока базы VT2, нужно задать ток делителя в 10…20 раз больше, чем тока базы транзистора VT2. Поскольку I_бVT2 = I_kVT2 / в_VT2 = 20 мкА. Зададим ток делителя R2/R3 равным 0,4 мА. Найдем значение резисторов R2 и R3:

0,2 мА * R2 + 0,2 мА * R3 = 12 В

7,5 В = 12 * R3/(R2 + R3).

Решив эту систему получаем R2 = 22,5 кОм и R3 = 37,5 кОм.

Оценка емкости фильтра С1

Уровень пульсаций ДU на выходе выпрямителя нами задан на уровне 0.5 В. Оценим требуемую емкость.



Рис. 5. Диаграмма напряжений на конденсаторе С1

Предположим, что разряд конденсатора C1 через схему стабилизатора происходит постоянным током, и поэтому напряжение на конденсаторе спадает по линейному закону: I_рДt = CДU, где I_р - ток разряда конденсатора, который в первом приближении будем считать постоянным и равным току нагрузки, а Дt - время разрядки конденсатора, лежащее в интервале 5…10 мс. Примем его равным 7 мс. Таким образом, получаем C1 = I_н Дt/ДU = 7000 мкФ.

Номинальная емкость 10000 мкФ

Оценка параметров выпрямительных диодов VD1…VD4 и трансформатора Тр1

На каждом из диодов в открытом состоянии падает напряжение U_Д = 1,2…1,5 U_лыжи. Мощность рассеяния каждого диода составляет P_Д = 0,5 U_Д I_н. Максимальное запирающее напряжение, прикладываемое к каждому из диодов составляет U_{обр. max.} = U _тр.II - 2 U_Д, где U_тр.II -эффективное напряжение вторичной обмотки трансформатора. Эффективное напряжение вторичной обмотки трансформатора можно оценить следующим образом: номинальное напряжение на выходе выпрямителя 14 В, на двух открытых диодах падает 2 В, таким образом, амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора составит 16 В, что соответствует эффективному значению 15,5 В.

Выбор трансформатора Тр1 производим, опираясь на оценку номинальной мощности трансформатора, которая должна быть выше мощности постоянного тока, отдаваемого выпрямителем и состоящей из мощности, рассеиваемой диодами моста, и мощности, потребляемой стабилизатором и нагрузкой: P_{ТР1 ном} = бI_н(U_н + 2U_д), где б - коэффициент формы, равный 1,2. Таким образом, получаем P_{ТР1 ном} = 8,4 Вт.

Диод МД3 [Диоды (справочник). М.: Радио и связь, 1990 г.]

Падение напряжения 1 В

Обратное напряжение 15 В

Номинальная мощность 16 Вт

Напряжение первичной обмотки 220 В

Напряжение вторичной обмотки 15,8 В

стабилизатор компенсаторный технический напряжение

7. Анализ работы устройства по критериям качества КПД устройства

Оценка уровня пульсаций на выходе

Для оценки уровня пульсаций на выходе устройства(нагрузке) рассмотрим стабилизатор как некий четырехполюсник, передающий фиксированный уровень пульсаций с выхода выпрямителя (ДU_C1) в нагрузку. Поскольку стабилизатор охвачен отрицательной обратной связью, его коэффициент передачи по напряжению равен К_ос = К₀ / (1+ К₀в), где К₀ - коэффициент усиления звена прямой передачи, в - коэффициент усиления звена обратной связи.

Определим значение К₀:



Рис. 6. Схема для определения коэффициента передачи пульсаций без обратной связи

Статические режимы работы всех элементов останутся неизменными, однако сигнал обратной связи на вход схемы сравнения поступать не будет. Тогда отношение ДU_н/ДU_С1 = К₀. Считаем напряжение на базе VT1 неизменным. Тогда:

ДI_R1 = ДU_C1/R1 = 0.63 мА,

а изменение тока в нагрузке составит

ДI_Н = ДI_R1(в + 1) = 63 мА,

изменение напряжения на нагрузке

ДU_Н = ДI_Н R_н = 1.51 В.

Таким образом, К₀ = 3.02.

Далее определим величину петлевого усиления К₀ в.

Рис. 7 Схема для определения коэффициента петлевого усиления

Пусть ДU_вх = ДU*;

ДU_вых = ДU_н = ДU* (R3/(R2 + R3)) K_uVT2 K_uVT1;

К₀ в = (R3/(R2 + R3)) (R1||(в + 1) R_Н)/r_дифф.VD5 = 82.1;

К_ос = 3.02/(1 + 82.1) = 0.0363.

Таким образом пульсации на нагрузке составляют 0,0363*0.5 В = 18.1 мВ, что удовлетворяет заданным параметрам.

Определение основных габаритных показателей

Резисторы R1, R2, R3 - С2-29В:

Длина 4 мм

Диаметр 3,5 мм

Трансформатор Тр1:

СТ-3С:

Длина: 120 мм

Ширина: 58 мм

Высота: 85 мм

Диод VD1…VD4 - МД3:

Длина 2,8 мм

Диаметр 1,2 мм

Транзисторы:

VT2 - КТ315А:

Длина 7,2 мм

Диаметр 3 мм

VT1 - ГТ705А:

Длина 6,6 мм

Диаметр 8,1 мм

Конденсатор C1 - К50-22:

Длина 60 мм

Диаметр 21 мм

Стабилитрон VD5 - КС407Д:

Длина 8,1 мм

Диаметр 7 мм



Литература

1) Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др.; Под общ. Ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 744 с.

2) Конденсаторы: Справочник / Г.А. Горячева, Е.Р. Добромыслов - М.: Радио и связь, 1984. - 88 с.

3) Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие для приборостроительных специальностей ВУЗов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1991. - 622 с.

Размещено на Allbest.ru