Стабилизатор напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО "СибГУТИ" УрТИСИ

Курсовая работа

по дисциплине "Электроника"

Стабилизатор напряжения

Екатеринбург 2012



1. Полупроводниковые диоды

1.1 Выпрямительные диоды

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов (p_n_переходов или переходов металл-полупроводник).

Области применения полупроводниковых диодов определяются их вольт-амперными характеристиками и параметрами.

Под вольтамперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода понимают зависимость тока через диод I от приложенного к нему напряжения U. Для вольт-амперной характеристики идеализированного p-n-перехода справедлива следующая формула (уравнение Шокли):

, (1.1)

где I₀ - обратный ток насыщения;

ц_T - температурный потенциал;

U - напряжение на переходе .

Температурный потенциал ,

где k - постоянная Больцмана;

T - температура по шкале Кельвина;

q - заряд электрона.

Температурный потенциал имеет размерность напряжения и при температуре 20⁰С ц_T ? 26 мВ.

График вольтамперной характеристики, построенный согласно уравнению (1.1), приведен на рис. 1. На характеристике принято выделять прямую ветвь, соответствующую прямому напряжению на p-n-переходе, и обратную ветвь, соответствующую обратному напряжению на p-n-переходе. Прямое напряжение считается положительным, а обратное - отрицательным. При увеличении прямого напряжения ток резко возрастает и при изменении напряжения на 60 мВ ток изменяется на порядок.

При увеличении обратного напряжения обратный ток идеализированного p-n-перехода сначала быстро возрастает до значения I₀, а затем остается неизменным.

Уравнение вольтамперной характеристики можно разрешить относительно напряжения:

Продифференцировав это соотношение, найдём дифференциальное сопротивление p_n_перехода

.(1.3)



При прямом напряжении дифференциальное сопротивление r_диф уменьшается с ростом тока I. При температуре Т = 300 К и прямом токе I = 1 мА получаем r_диф = 26 Ом, т. е. при прямом напряжении дифференциальное сопротивление p-n-перехода составляет единицы Ом.

При обратном напряжении дифференциальное сопротивление перехода r_{диф. обр} резко увеличивается и при I>?I₀, r_{диф. обр}> .

В реальных p-n-переходах необходимо учитывать объёмное сопротивление базы r_б, с учётом которого прямое напряжение на реальном диоде больше, чем на идеальном.

С увеличением температуры падение напряжения на p-n-переходе, включенном в прямом направлении, уменьшается рис. 2.

Обратный ток в реальных p-n-переходах обусловлен в основном тепловым током I₀. Эта составляющая обратного тока сильно зависит от температуры и практически не зависит от приложенного напряжения.

Вольтамперная характеристика перехода Шоттки (перехода металл-полупроводник) описывается тем же уравнением и имеет тот же вид, что и вольтамперная характеристика p-n-перехода. Отличие вольтамперной характеристики перехода Шоттки от характеристики p-n-перехода заключаются в том, что прямое падение напряжения на переходе Шоттки на (0,2 ? 0,4) В меньше, чем на p_n_переходе с аналогичными параметрами, изготовленном на основе кремния (рис. 3).



В реальных p-n-переходах при увеличении обратного напряжения наблюдается пробой, под которым понимают резкое увеличение обратного тока. Различают три вида пробоя: тепловой, лавинный и туннельный.

Тепловой пробой обусловлен нагреванием p-n-перехода при протекании через него обратного тока. Рост температуры p-n-перехода приводит к росту обратного тока. Если количество теплоты, выделяемой в переходе, превышает количество отводимой теплоты, то этот процесс будет лавинообразно развиваться и закончится разрушением p_n_перехода.

Лавинный пробой (рис. 4) возникает в p-n-переходах при невысокой степени легирования. Напряжение лавинного пробоя очень слабо зависит от тока, протекающего через p_n_переход. Температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен.

Туннельный пробой имеет место в сильно легированных p_n_переходах и связан с туннельным эффектом.

Напряжение туннельного пробоя не превышает 5 В и очень слабо зависит от тока, протекающего через p-n-переход.

Лавинный и туннельный пробои обратимы, если не переходят в тепловой.

На вольтамперную характеристику диода существенное влияние оказывает температура окружающей среды. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается у кремниевых диодов примерно в 2,5 раза при изменении температуры на каждые 10°С.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет допустимую температуру диода, которая составляет 150 ? 200 °С для кремниевых диодов.

Диоды общего применения характеризуются следующими основными параметрами:

- дифференциальное сопротивление диода на прямой ветви ВАХ при заданном токе;

- сопротивление постоянному току в заданной точке ВАХ

(1.5)

- температурный коэффициент напряжения (ТКН) прямой ветви ВАХ

(1.6)

- допустимый прямой ток анода I_адоп;

- обратное допустимое напряжениеU_{обр.доп}.



1.2 Специальный диод - стабилитрон

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя р-n-перехода при включении диода в обратном направлении.

Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода и при снижении обратного напряжения (или ограничения тока) свойства диода сохраняются.

При прямом включении при увеличении температуры падение напряжения на стабилитроне уменьшается рис. 5

ТКН = ?U_ПР/?t = - 2,5 мВ/°С (1.8)

Если через стабилитрон протекает постоянный обратный ток, то при изменении температуры падение напряжения на нем также изменяется. При напряжении более 5 В ТКН положительный, при напряжении менее 5 В ТКН отрицательный, при напряжении 5 Вольт ТКН ? 0.

Стабилитрон как источник напряжения представляют эквивалентной схемой, приведённой на рис. 6.



U_СТ - идеальный источник напряжения,

r_СТ - внутреннее сопротивление этого источника - дифференциальное сопротивление стабилитрона, VD - идеальный диод с напряжением U_пр = 0 В.

Основные параметры стабилитронов и их типовые значения.

1. Напряжение стабилизации U_СТ - падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (от нескольких долей вольта до сотен вольт).

2. Максимальный допустимый ток стабилизации I_СТmax- наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы (от десятков миллиампер до единиц ампер).

3. Минимальный ток стабилизации I_СТmin - наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив, (единицы миллиампер).

4. Дифференциальное сопротивление r_СТ - отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации г_ст= ?U_СТ/?I_СТ (доли -десятки Ом). Дифференциальное сопротивление уменьшается при увеличении тока стабилизации.

5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации о_СТ _ относи-тельное изменение напряжения стабилизации ?U_СТ при изменении температуры окружающей среды на ?t ⁰С (о_СТ - тысячные доли процента).

Для стабилитронов этот параметр принято выражать в относительном изменении напряжения стабилизации

(1.7)



6. Температурный коэффициент напряжения при прямом включении стабилитрона ТКН = ?U_ПР/?t ? - 2,5 мВ/°С.

7. Максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_ДОП = U_СТ·I_{СТ max}. Если выделяющаяся в виде тепла мощность превышает допустимую для стабилитрона, то прибор начнёт перегреваться и может наступить тепловой пробой.

1.3 Специальный диод - тиристор

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более взаимодействующими p-n-переходами.

В зависимости от числа выводов тиристоры делят на:

- диодные (динисторы), имеющие два вывода - от анода и катода,

- триодные (тринисторы), имеющие выводы от анода, катода и одной из эквивалентных баз,

- тетродные, имеющие выводы от всех областей.

В процессе работы тиристор может находиться в состоянии:

· выключен или закрыт, в этом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и ток через него практически равен нулю;

· включён или открыт, в этом состоянии тиристор имеет малое сопротивление, ток в цепи определяется внешним сопротивлением.

1.4 Специальный диод - светодиод

Светодиод - прибор с p-n-переходом, излучающим свет при протекании через него прямого тока. По своим электрическим свойствам светодиод аналогичен обычному диоду. Отличие состоит в том, что напряжение отпирания при прямом включении составляет примерно 2 вольта.

Светодиоды применяются для индикации наличия напряжения (тока) в электрической цепи, как источники света.

1.5 Обозначение диодов

В основу обозначений универсальных диодов положен буквенно_цифро-вой код вида

Следующие элементы характеризуют его эксплуатационные свойства. Например, диод общего применения КД101А расшифровывается как кремниевый диод малой мощности, разработки номер 01, разновидности А.

Условное графическое обозначение (УГО) диодов общего применения на принципиальных схемах приведено на рис. 7.

Один из электродов обозначается буквой А - анод, другой электрод - буквой К - катод.

Если к аноду приложено положительное напряжение, а к катоду - отрицательное, то диод включен в прямом направлении и открыт. На диоде выделяется напряжение U_ПР и течёт прямой ток I_ПР.

Если к аноду приложено отрицательное напряжение, то диод включён в обратном направлении и закрыт, через диод протекает обратный ток малой величины I_ОБР. Если приложенное обратное напряжение превышает напряжение пробоя, то происходит электрический пробой диода и в цепи потечёт ток.

На рис. 8 приведено УГО стабилитрона. В основу обозначений стабилитронов положен тот же буквенно-цифровой код, что и для диодов. Например, обозначение стабилитрона КС153А расшифровывается как кремниевый диод малой мощности (серия 100), разновидности А. В отличие от выпрямительных диодов последние два цифры обозначают напряжение стабилизации U_СТ = 5,3 В.

На рис. 9 приведено УГО тиристора. Обозначение соответствует управлению тиристора по катоду, УЭ - управляющий электрод.

Тиристоры также обозначаются буквенно-цифровым кодом:

- первый элемент - исходный материал;

- второй элемент - вид прибора: Н - диодный тиристор - динистор (неуправляемый), У - триодный тиристор - (управляемый).

Например, КУ201К - кремниевый, управляемый, средней мощности, 01 разработки, разновидности К.

На рис. 10 приведено УГО светодиода. Система обозначений светодиодов аналогична обозначениям прочих диодов. Второй компонент обозначения буква Л - светоизлучающий диод. Например, АЛС331 расшифровывается следующим образом: А - материал арсенид галлия, ЛС - матрица светодиодов. Последующие цифры обозначают номер разработки и эксплуатационные свойства.



2. Биполярные транзисторы

2.1 Общие положения

Транзисторами называются полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими n_p_переходами. По чередованию переходов транзисторы бывают двух типов: p-n-p - транзисторы и n-p-n - транзисторы (рис. 11).

Средний слой транзистора называют базой (Б), один из крайних - эмиттером (Э), другой - коллектором (К). Стрелка в обозначении эмиттера показывает направление протекания положительного тока.

диод вольтамперный биполярный транзистор

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения: с общей базой (ОБ) - рис. 12,а; с общим эмиттером (ОЭ) - рис, 12,б; и с общим коллектором (ОК) - рис. 12. в.



Наиболее часто применяется схема ОЭ, так как позволяет получить наибольший коэффициент усиления по мощности.

Схема ОК усиливает электрический ток и мощность, но не усиливает напряжение.

Схема ОБ обеспечивает усиление напряжения и мощности, но не усиливает ток.

Токи электродов транзистора связаны соотношением

I_Э= I_Б + I_К(1.8).

В транзисторе, включённом по схеме ОЭ, ток коллектора

I_К=б·I_Э + I_КЭО (1.9)

где б - коэффициент передачи тока эмиттера в коллектор (б=0,9,…;099);

I_КЭО - обратный ток коллекторного перехода, в схеме ОЭ равен току коллектора при разомкнутом выводе базы (I_Б = 0).

Подставив (1.8) в (1.9) получим

(1.10)

В выражении (1.10) - статический коэффициент передачи тока базы (в коллектор), т.е.

.(1.11)



Так как I_КБО << I_К и I_КБО << I_Б, то коэффициент передачи тока базы

.(1.12)

Статические вольт-амперные характеристики для схемы включения ОЭ представлены на рис. 13. На рис. 13. а изображены входные характеристики I_Б = ?(U_бэ) при U_КЭ = Const, на рис. 13. б - выходные I_К = ?(U_КЭ) при

I_Б = Const.

На рис. 13,а показано построение характеристического треугольника для определения входного сопротивления транзистора в системе h - параметров

.(1.13)

На рис. 13,б показано определение коэффициент усиления транзистора. Коэффициент определяется через приращения токов базы и коллектора при постоянном напряжении U_КЭ (на рисунке U_КЭ = 5 В)

(1.14)

Для транзисторов малой мощности (Р_К < 300 мВт) этот параметр определяется при напряжении U_КЭ = 5 В. Для транзисторов средней мощности (Р_К < 3 Вт) - при напряжении U_КЭ = (10 ? 15) В.



Определение выходной проводимости транзистора h_22Э в системе h_параметров показано на рис.14.

. (1.15)

Обратная выходной проводимости величина определяет дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

(1.16)

Его значение находятся в пределах 10 ? 100 кОм.

Дифференциальное сопротивление перехода эмиттер-база r_Э зависит от постоянной составляющей тока эмиттера



(1.17)

Значение сопротивления г_Э лежит в пределах от единиц до десятков Ом.

Объёмное сопротивление базы

r_б = h_11э - (В + 1)•r_Э, (1.18)

Обычно г_б >> г_Э и для маломощных транзисторов составляет (100 ? 500) Ом.

2.2 Система обозначения транзисторов

В основу системы положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал аналогично диодам.

Второй элемент определяет подкласс прибора. Т - подкласс транзистор биполярный.

Третий - функциональные возможности транзистора - допустимую мощность рассеяния и граничную частоту.

Четвёртый - порядковый номер разработки технологического типа транзистора. Обозначается цифрами от 01 до 99 (в последнее время появились разработки с номерами от 101 до 999)

Пятый - обозначает дополнительные параметры транзистора в данной разработке. Они обозначают буквами русского алфавита

Например, транзистор КТ301А - кремниевый транзистор биполярный, высокочастотный, малой мощности, номер разработки 01, разновидности А.

Обозначение транзистора на принципиальных схемах нормировано и приведено на рис. 11 и 12. Направление стрелки эмиттера показывает положительное направление тока эмиттера.

Изображение транзистора с выводами можно поворачивать на 90 градусов. Стандарт разрешает не изображать окружность.

2.3 Допустимые электрические и тепловые параметры

Максимально допустимые напряжения это такие предельные напряжения, при которых транзистор не теряет своих электрических свойств. Превышение этих напряжений не допускается, т.к. может наступить электрический пробой р-n-переходов транзистора. В справочниках приводятся значения допустимых напряжений U_КБmах, U_КЭmах, U_ЭБmах.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора P_{к.max -} наибольшая мощность, рассеиваемая коллектором транзистора при температуре окружающей среды Т_С (или корпуса T_К).



3. Постановка задачи

Определение исходных данных

Выбор транзистора.

U_СТ = 10±0,1 В

I_Н = 40±16 мА

I_Hmax = 56 мА

I_К ? I_{Э(т.к. транзистор включен с общим коллектором)}

I_Э = I_{Н(последовательное включение )}

Предел выбора транзистора (1,1?1,5)•I_Hmax.

=> 65 мА ? I_Kmax ? 100 мА

коэффициент усиления B

В = ?I_K/?I_Б

при U_KЭ = 14 В

В ? 50

I_Бmax= I_Кmax/В=1,12

U_КЭ = 10 В

U_Kmin= U_Иmin= 20 В



Напряжение источника питания может изменяться в диапазоне ±15%,

24,0 ±3,6 В , U_Иmах = 27,6 В.

U_КЭmax = U_Иmах - U_Н = 27,6 - 10,0 = 17,6 В

U_Иср = 24 В

Р_К = U_КЭmax•I_Кmax= 27,6·0,06=1.66 Вт < Р_КДОП = 1,8 Вт

Выбор стабилитрона.

U_СТ = 10 В Стабилитрон включён в цепь базы транзистора. Его напряжение стабилизации должно быть больше на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер U_БЭ. Для кремниевых транзисторов U_БЭ ? 0,8 В.

U_БЭ ? 0,8 В =>берем стабилитрон типа КС210В

Характеристики стабилитрона

U_СТ = 11 В

I_СТmax = 20 мА

ТКН о = + 7,5 10^_2 %/^ОС

ДU_СТ = U_СТ •о•Дt = 11•0,075?50 = 0,4 В

Напряжение

U_СТ = 10 В изменяется на 0,41 В (410 мВ). Такой температурный дрейф недопустим.

Вводим термокомпенсацию.



Чтобы скомпенсировать положительный ТКН стабилитрона VD1, включим последовательно стабилитрон с отрицательным ТКН. Напряжение компенсации U_К определим по графику . На оси о_СТ выберем значение о_СТ = - 0,075 Проведём стрелку до пересечения с графиком ТКН. Через полученную точку проведём сечение Согласно построению необходим стабилитрон с напряжением стабилизации равным примерно 3 В. Такому напряжению соответствует стабилитрон КС131А, его напряжение стабилизации U_СТ = 3,1 В

После выбираем основной стабилитрон VD1 с напряжением U_СТ ? (U_Н - U_К+ 0,8 В) = (10 - 3,1 + 0,8) = 7,7 В Выбираем стабилитрон КС175А

U_CT = 7,5 ± 5% B

Стабилизация тока стабилитронов

U_КЭ = 10 В

U_{КБ =} 9,2 В (-0.8В)

U_Rэ = U_ЭК = 4,6 В.



I_К2 = (I_СТ + I_Б) = 21,1 мА

Р_Кдоп > U_КЭ•I_K = 4,6•21,1 ? 100 мВт.

По допустимой мощности и току выбираем транзистор

R_Э = U_Rэ/I_Rэ = 4,6 В/21,1 мА = 219 Ом

Номинальное значение R_Э = 220 Ом

U_Rэ= 4,6 В

U_БЭ2 = 0,8 В

U_Б2 = (4,6 + 0,8) = 5,4 В

Выберем стабилитрон VD3.

VD3(I)=5мА

VD3(U)=5,3В

VD2(U)=3,1В

U_R1=8,4 В

R1= (20 - 8,4)/5 =2,72 кОм

I_R1 = (20 - 8,4)/2,7 = 4,3 мА

P_R1= I_R1·U_R1=4,3 мА·8,4 В = 26 мВт



Определяем реальные сопротивления диодов VD1 и VD2.

Согласно построению сопротивление диода VD1 составляет примерно 10 Ом, сопротивление диода VD2 примерно 21 Ом.

r_СТУ = 31 Ом

Расчет параметров стабилизатора

r_Э = ц_T/I_Э = 26 мВ/50 мА = 0,52 Ом.

20 ^ОС ц_T ? 26 мВ



I_Б = 1,2 мА

?U_БЭ ? 0,05 В и ?I_Б= 0,6 мА. h₁₁= ?U_БЭ /?I_Б= 0,05/0,6 = 83 Ом

?U_КЭ= 10 В, ?I_К ? 4 мА

r_К = ?U_КЭ/?I_К = 10 В/0,004 А = 2500 Ом

U_КЭ = 10 В

?I_Б = 0,4 мА, ?I_К ? 25 мА, В = ?I_К/?I_Б ? 25/0,4 = 62,5

Вычисляем сопротивление стабилизатора

R_ВЫХ = r_Э + (r_СТУ+ r_б)/(1 + B)

r_б = h₁₁- r_Э(1 + B) = 83 - (0,52•63,5) = 50,0 Ом.

R_ВЫХ = 0,52 + (31 + 50,0)/51 = 2,1 Ом.

Защита стабилизатора по току

R_T = 0,3 В/0,12 А = 2,5 Ом

Защита нагрузки от перенапряжения



U_H = 10 В

R2 = 7 В/5мА = 1,4 кОм

(34,4 - 13) В/1,4 кОм = 16 мА =>допустимо

тиристор КУ101В U_А = 50 В, I_А = 80 мА

светодиод КЛ101А с параметрами I_ПР = 10 мА, U_ПР = 5,5 В

R4 = (U_Н - U_ПР)/I_ПР = 4,5 В/10 мА = 450 Ом

Для устранения низкочастотных и высокочастотных помех на выходе стабилизатора параллельно нагрузке включаются емкости

С1 = 0,1 мкФ и С2 = 10 ? 20 мкФ



Заключение

В результате проектирование были получение результаты.

R_ВЫХ= 2.1 Ом

К_{СТ =}

U_{Иср =} 24 В

Размещено на Allbest.ru