Расчет компенсационного стабилизатора последовательного типа

РАСЧЕТ КОМПЕНСАЦИОННОГО СТАБИЛИЗАТОРА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ТИПА

1 Цель работы

а) Изучение методики расчета транзисторного компенсационного стабилизатора последовательного типа.

б) Научиться выбирать элементы конструкции и правильно обосновывать свой выбор.

в) Произвести расчет и обоснованный выбор элементов схемы по исходным данным.

2 Исходные данные

2.1 Максимальный ток нагрузки

Находится из выражения:

I_Нmax = (0.5 + 0.1*N), А,

где N - порядковый номер по журналу.

I_Нmax = 1.1А

2.2 Выходное (стабилизированное) напряжение

Находится из выражения:

U_{вых ном} = 0,6*(42 - N) В,

где N - порядковый номер по журналу.

U_{вых ном} =21.6 В

2.3 Диапазон изменения входных напряжений

Определяется по формулам:

U_{вх макс} = 1,2*(42 - N) В = …

U_{вх мин} = 0,8*(42 - N) В = …

U_{вх макс} = 1,2*(42 - 6) В =43.2 В

U_{вх мин} = 0,8*(42 - 6) В =28.8 В

U_{вых ном}=36.5[B]

U_{вх.ном=(} U_{вх макс-} U_{вх мин} )/2

U_вх.ном=(43.2-28.8)/2=7.2 В

2.4 Требуемый коэффициент стабилизации

К_ст = 8

2.5 Определение U_{вых макс} и U_{вых мин} из К_ст.

К_ст = (U_{вх макс} - U_{вх мин})* U_{вых ном}/((U_{вых макс} - U_{вых мин})* U_{вх ном})

Из вышеприведенного выражения определим (U_{вых макс} - U_{вых мин}):

(U_{вых макс} - U_{вых мин})= (U_{вх макс} - U_{вх мин})* U_{вых ном} /(К_ст* U_{вх ном})

(U_{вых макс} - U_{вых мин})= (43.2 - 28.8)* 21.6 /(8*36.5)=1.0652

Теперь найдем значения U_{вых макс} и U_{вых мин} :

U_{вых макс} = U_{вых ном} + (U_{вых макс} - U_{вых мин})/2,

U_{вых мин} = U_{вых ном} - (U_{вых макс} - U_{вых мин})/2.

U_{вых макс} = 21.6+1.0652/2=22.1326 В

U_{вых мин} = 21.6 -1.0652/2=21.0674 В



Рисунок 1. Электрическая схема рассчитываемого стабилизатора.

3 Порядок расчета

3.1 Определение параметров и выбор регулирующего транзистора

3.1.1 Максимальные напряжения коллектор-эмиттер VT1

Найдем из выражений:

U_КЭ1max = U_{вх max} - U_{вых min} , В

U_КЭ1max =43.2-21.0674=22.1326 В

U_КЭ1имп = U_{вх max} , В

U_КЭ1имп =43.2 В

3.1.2 Максимальный ток коллектора

максимальный ток коллектора с достаточной точностью будет равен максимальному току нагрузки:

I_К1max = I_Нmax , А

I_К1max =1.1 А

3.1.3 Максимальная мощность, рассеиваемая на транзисторе

P_{К1 max} = U_КЭ1max * I_К1max , Вт

P_{К1 max} =22.1326*1.1=24.3458 Вт

3.1.4 Выбор транзистора

По полученным (в пунктах 3.1.2, 3.1.2, 3.1.2) данным, пользуясь приложением 1, выбираем транзистор VT1 =(h_21Э1 - желательно выбирать с большим значением, чтобы получить более высокий коэффициент стабилизации и снизить мощность, потребляемую по цепям управления и, следовательно, увеличить КПД устройства). Выбираем

Тип прибора	PКmax, Вт	IКmax, А	UКЭmax, В	h21Э
				min	max
КТ817А	25	3	40	25	275

Примечание 1. Все параметры выбранного транзистора должны быть не менее рассчитанных. Для увеличения надежности работы стабилизатора желательно, чтобы максимально допустимые параметры выбранного транзистора были в 1,5-3 раза больше рассчитанных значений. Выбор транзистора значительно большей мощности, чем необходимо, приводит к увеличению габаритов и стоимости стабилизатора, а так же более мощные транзисторы имеют, как правило, меньший коэффициент усиления, что в итоге приведет к уменьшению коэффициента стабилизации и КПД всего устройства в целом, а также увеличит стоимость стабилизатора.

3.2 Расчет резистора R1

3.2.1 расчет и определение номинала резистора R1

R1_расч = (U_{вх min} - U_{вых max} - 0,6)/ I_Б1max , Ом

где I_К1max - рассчитано в пункте 5.3.1.б,

I_Б1max = I_К1max/(h_21Э1 + 1),

I_Б1max =1.1/(25+1)=0.0423

R1_расч =(28.6-22.1326-0.6)/ 0.0423 =138.7092 Ом

h_21Э1 - берется минимальное значение для выбранного транзистора.

По полученному значению R1_расч, из ряда Е12 или Е24 выбираем ближайшее меньшее значение номинала резистора R1

R1=150 Ом

3.2.2 Расчет максимальной мощности рассеяния резистора R1

P _{R1 max} = (U_{вх max} - U_{вых min} - 0,6 )² / R1 , Вт

P _{R1 max} = (43.2-21.0674-0.6)²/150=3.0910 Вт

По полученному значению P _{R1 max} выбираем ближайшее большее значение мощности резистора из стандартного ряда: 0,065Вт, 0,125Вт, 0,25Вт, 0,5Вт, 1Вт, 2Вт, 5Вт.

P _{R1 max=}5Вт

3.3 Определение параметров и выбор стабилитрона

3.3.1 Расчет рабочего напряжения стабилитрона

U_{ст max} = U_{вых min} - 2, В

U_{ст max} =21.0674-2=19.0674 В

3.3.2 Расчет максимального тока стабилитрона

I_{ст max} = ( U_{вх max} - U_{ст min} )/ R1, А

I_{ст max} = (43.2-16)/150 =0.1813 А

3.3.3 Выбор стабилитрона

Из приложения 2 выбираем подходящий стабилитрон VD, удовлетворяющий полученным значениям напряжения стабилизации и с максимальным током стабилизации не менее рассчитанного в пункте 3.2.2.

Тип прибора	Uст , В	Iст , мА	Rст , Ом
	номинал	min	max	min	max
КС518А	18	16	20	1	45	25

3.4 Расчет резистора R2

R2_расч = (U_{вых min} - U_{VD max})/ I_{VD min}, Ом

R2_расч = (21.0674-20)/0.001=1067.4 Ом

Используя полученное значение R2_расч, из ряда Е12 или Е24 выбираем ближайшее меньшее значение номинала резистора R2=1100 Ом

Примечание 2. Расчет мощности рассеяния резистора R2 не производится, поскольку I_{VD min} у большинства маломощных стабилитронов не превышает 5мА и мощность рассеяния этого резистора будет не более 2В*5мА=10мВт=0,01Вт, а минимальная мощность выпускаемых резисторов 0,065Вт.

3.5 Определение параметров и выбор транзистора VT2

3.5.1 Максимальное напряжение коллектор-эмиттер

Определяется по формуле

U_КЭ2max = (U_{вых max} + 0, 6 - U_{VD min} ), В

U_КЭ2max = (22.1326+0.6-16) = 6.7326 В

3.5.2 Определение максимального рабочего тока

I_К2max = I_{ст max} , А ,

где I_{ст max} определено в пункте 3.3.2

I_К2max =0.1813 А

3.5.3 Расчет максимальной рассеиваемой мощности транзистора VT2

P_{К2 max} = U_КЭ2max * I_К2max , Вт

P_{К2 max} =6.7326*0.1813=1.2206, Вт

3.5.4 Выбор транзистора

По полученным (в пунктах 3.5.1, 3.5.2, 3.5.3) данным и, пользуясь приложением 3, выбираем транзистор VT2 (h_21Э2 - желательно выбирать с большим значением, чтобы получить большой коэффициент стабилизации).

Тип прибора	PКmax, мВт	IКmax, мА	UКЭmax, В	h21Э
				min	max
КТ3102А	250	200	50	100	250

3.6 Расчет делителя

Расчет производится с учетом технологического разброса параметров стабилитронов и необходимого диапазона установки выходных напряжений

3.6.1 Расчет тока делителя

I_дел = 5* I_Б2max , А ,

где

I_Б2max = I_К2max / (h_21Э2 + 1).

I_дел = 5*0.0017=0.0089 А

I_Б2max =0.1813/(100+1)=0.0017 А

3.6.2 Расчет резистора R4

R4_расч = U_{VD min} / I_дел, Ом

R4_расч =1/0.0089=112.3595 Ом

По рассчитанному значению R4_расч, из ряда Е12 или Е24 выбираем ближайшее меньшее значение номинала резистора

R4=150 Ом

3.6.3 Расчет резистора R3

R3_расч = (U_{вых min} - 0,6 - U_{VD max} ) / I_дел, Ом

R3_расч =(21.0674-0.6-20)/ 0.0089=52.5168 Ом

По рассчитанному значению R3_расч, из ряда Е12 или Е24 выбираем ближайшее меньшее значение номинала резистора

R3=100 Ом

3.6.4 Расчет резистора R5

R5_расч = (U_{вых max} / I_дел) - R3 - R4, Ом

R5_расч =(22.1326/0.0089)-100-150=2236 Ом

По рассчитанному значению R5_расч, из ряда Е12 или Е24 выбираем ближайшее большее значение номинала резистора R5, чтобы диапазон подстройки выходного напряжения был не меньше расчетного.

R5=2400 Ом

3.7 Расчет коэффициента стабилизации

К_ст = U_{VD средн} * R1 / U_{вх max} * ( R_VD+ R_Э2)( 1 + 1/ h_21Э2),

где R_Э2 = 1 Ом.

Подставляя значение R1 из п. 5.3.2.а и учитывая, что I_К1max = I_Нmax получаем:

К_ст=U_{VD средн}*(U_{вх min}-U_{вых max}-0,6)*(h_21Э1+1)/(I_Нmax*U_вх.max* (R_VD+1)(1+1/h_21Э2))

К_ст=18*(28.8-22.1326-0.6)*(25+1)/(1.1*43.2*(25+1)(1+1/100))= =20.2755>8

Примечание 3. Из приведенных выражений видно, что:

а) при увеличении h_21Э1 регулирующего транзистора растет R1 и К_ст увеличивается;

б) при уменьшении дифференциального сопротивления стабилитрона (R_VD) К_ст увеличивается.

Для получения большего значения К_ст необходимо выбирать регулирующий транзистор с большим коэффициентом усиления, а стабилитрон надо брать с наименьшим дифференциальным сопротивлением.

При правильном расчете и выборе радиокомпонентов К_ст должен получиться не менее заданного в исходных данных (п. 2.4).

4 Краткие выводы

1. В ходе проделанной работы мы изучили метод расчета транзисторного компенсационного стабилизатора последовательного типа, научились выбирать подходящие элементы конструкции, и правильно обосновывать выбор. Мы произвели правильный расчет и выбор элементов схемы по исходным данным.

2. В ходе работы было выявлено что при увеличении параметра h_21Э1 регулирующего транзистора, коэфицент стабилизации К_ст тоже увеличивается.

3 Мы выяснили, что при увеличении h_21Э2 коэффициента стабилизации усилительного транзистора тоже увеличивается.

4. При увеличении R1 коэффициента стабилизации увеличивается.

5 Чем больше h_21Э1 тем лучше КПД.

6 Типы выбранных радиокомпонентов и их основные параметры:

VT1= КТ817А

VT2= КТ3102А

VD= КС518А

R1=150 Ом P _R1=5 В

R2=1100 Ом

R3=100 Ом

R4=150 Ом

R5=2400 Ом

P _R2-3-4-5=0.065 В