Регульований компенсаційний стабілізатор напруги (стр. 4 из 6)
Схеми компенсаційних стабілізаторів постійної напруги бувають послідовного і паралельного типів (рисунки 2.1 і 2.2).
 |
Рисунок 2.1 – Схема КСН послідовного типу
 |
Рисунок 2.2 – Схема КСН паралельного типу
Основними елементами таких стабілізаторів є:
джерело еталонної напруги (Е);
зрівнюючий та підсилюючий елемент (ЗП);
регулюючий елемент (Р).
В стабілізаторах послідовного типу (рисунок 2.1) регулюючий елемент ввімкнений послідовно з джерелом вхідної напругиUвх і навантаженням Rн. Якщо по якимось причинам (наприклад, через нестабільність Uвх чи при зміні Rн ) напруга на виході Uвих відхилилась від свого номінального значення, то різниця еталонної та вихідної напруги змінюється, підсилюється і діє на регулюючий елемент. При цьому опір регулюючого елементу автоматично змінюється і напруга Uвх розмежовується між Р і Rн таким чином, щоб компенсувати зміни напруги на навантаженні, що відбулися.
Відмінність наведених схем полягає в наступному. У послідовних стабілізаторах напруга на регулюючому елементі зростає при збільшенні напруги на навантаженні, а струм приблизно дорівнює струму навантаження. У паралельних стабілізаторах напруга на регулюючому елементі не залежить від вхідної напруги, а струм знаходиться в прямій залежності від напруги на навантаженні.
Стабілізатори паралельного типу мають невисокий ККД і застосовуються порівняно рідко. Для стабілізації підвищених напруг і струмів, а також при змінних навантаженнях звичайно застосовуються стабілізатори напруги послідовного типу. Їхнім недоліком є те, що при короткому замиканні на виході до регулюючого елемента буде прикладена уся вхідна напруга. Цю обставину необхідно враховувати при експлуатації стабілізатора.
Основними параметрами,що характеризують стабілізатор, є:
1. Коефіцієнт стабілізації, що представляє собою відношення відносної зміни напруги на вході до відносної зміни напруги на виході стабілізатора.
Kст = DUвх / Uвх : DUвих / Uвих , (2.1)
де Uвх і Uвих - номінальна напруга на вході і виході стабілізатора,
DUвх і DUвих - зміна напруг на вході і виході стабілізатора.
Коефіцієнти стабілізації служать основними критеріями для вибору раціональної схеми стабілізації й оцінки її параметрів.
2. Вихідний опір, що характеризує зміну вихідної напруги при зміні струму навантаження і незмінній вхідній напрузі.
Rвих = DUвих / DIвих , при Uвх = const. (2.2)
3. Коефіцієнт корисної дії дорівнює відношенню потужності в навантаженні до номінальної вхідної потужності.
h = Uвих ´ Iвих / Uвх ´ Iвх . (2.3)
4. Дрейф (припустима нестабільність) вихідної напруги. Часовий і температурний дрейф характеризуються величиною відносної й абсолютної зміни вихідної напруги за визначений проміжок часу або у визначеному інтервалі температур.
3. Розробка принципової електричної схеми
Відповідно до обраної структурної схеми (рисунок 2.1) складаємо приблизну схему компенсаційного стабілізатора напруги (див. додаток А). Після проведення розрахунку, дана схема буде дороблена. Тільки після повного розрахунку режимів роботи і вибору елементів можна скласти остаточний варіант схеми електричної принципової компенсаційного стабілізатора напруги.
Дана схема складається з регулюючого елемента, джерела опорної напруги і підсилювача зворотного зв'язку. Роль регулюючого елемента грає комплементарний транзистор (складається з 2х транзисторів VT2 і VT3). Джерело опорної напруги –VD1R1, R2VT1. Підсилювач зворотного зв'язку – R4VD2VT4, R5R6R7.
4. Розрахунок схеми електричної принципової
4.1 Вихідні дані для розрахунку
| Номінальна вихідна напруга Uн , В | 15 |
| Номінальний струм навантаження Ін , А | 5 |
| Коефіцієнт пульсацій Кп , % | 0,01 |
| Коефіцієнт стабілізації Кст | 100 |
| Температура навколишнього середовища tср , °З | +20 |
| Кліматичні умови | норм. |
4.2 Розрахунок схеми компенсаційного стабілізатора
Відповідно до схеми (додаток А) знаходимо найменшу напругу на виході стабілізатора:
U вх min = Uн + Uкз min = 15 + 3 = 18 B, (4.1)
де Uкз min – мінімальна напруга на регулюючому транзисторі VT3.
Виходячи з того, що VT3 приблизно кремнієвий, то Uкз min вибираємо в межах 3..5 В.
З огляду на нестабільність вхідної напруги на вході стабілізатора ±10%, знаходимо середню і максимальну напругу на вході стабілізатора:
U вх сер = U вх min / 0.9 = 18 / 0.9 = 20 В , (4.2)
U вх max = 1.1 ´ U вх сер = 1.1 ´ 20 = 22 В . (4.3)
Визначаємо максимальне значення на регулюючому транзисторі
U к3 max = U вх max - Uн = 22 – 15 = 7 В . (4.4)
Потужність, що розсіюється на колекторі транзистора VT3, дорівнює
Р3 = Uк3 max´ Iн = 7 ´ 5 = 35 Вт. (4.5)
За отриманими значеннями Uк3 max , Iн , Р3 вибираємо тип регулюючого транзистора і виписуємо його параметри:
| Марка транзистора | 2Т827В |
| Тип транзистора | NPN |
| Допустимий струм колектора, Iк доп | 20 А |
| Допустима напруга колектор-емітер, Uк доп | 100 В |
| Розсіювальна потужність колектора, Рпред | 125 Вт |
| Мінімальний коеф. передачі струму бази, h21Е3 min | 750 |
По статичним ВАХ обраного транзистора знаходимо:
h11Е3 = 33.0 Ом ,
m3 = 1 / h12Е3 = 1 / 0.23 = 4.20 ,
де h11Е3 – вхідний опір транзистора, Ом;
m3 – коефіцієнт передачі напруги;
h12Е3 – коефіцієнт зворотного зв'язку.
Знаходимо струм бази транзистора VT3
IБ3 = Iн / h21Е3 min = 5 / 750 = 6.67´10-3 А . (4.6)
Визначаємо початкові дані для вибору транзистора VT2. Розраховуємо напругу колектор-емітер VT2
Uк2 max = Uк3 max - Uбе3 = 7 – 0.7 = 6.3 В , (4.7)
де Uбе3 – падіння напруги на емітерному переході транзистора VT3 (0.7 В).
Струм колектора VT2 складається зі струму бази VT3 і струму втрат, що протікає через резистор R3,
Iк2 = Iб3 + IR3 = 5´10-4 + 6.7´10-3 = 7.2´10-3 А. (4.8)
Потужність, що розсіюється на колекторі транзистора VT2, дорівнює
Р2 = Iк2´ Uк2 max = 7.2´10-3´ 6.3 = 45.2´10-3 Вт. (4.9)
За отриманими значеннями Uк2 max , Iк2 , Р2 вибираємо тип транзистора і виписуємо його параметри:
| Марка транзистора | 2Т603Б |
| Тип транзистора | NPN |
| Допустимий струм колектора, Iк доп | 300 мА |
| Допустима напруга колектор-емітер, Uк доп | 30 В |
| Розсіювальна потужність колектора, Рпред | 0.5 Вт |
| Мінімальний коеф. передачі струму бази, h21Е2 min | 60 |
По статичним ВАХ обраного транзистора знаходимо:
h11Е2 = 36.36 Ом , m3 = 1 / h12Е2 = 1 / 0.022 = 45.45 .
Розраховуємо струм бази VT2
IБ2 = Iк2 / h21Е2 min = 7.2´10-3 / 60 = 1.2´10-4 А. (4.10)
Знаходимо опір резистора R3
R3 = (Uн + Uбе3) / IR3 = (15 + 0.7) / 5´10-4 =31400 Ом. (4.11)
Вибираємо найближчий по стандарту номінал з обліком потужності, що розсіюється на резисторі
РR3 = (Uн + Uбе3) ´ IR3 = (15 + 0.7) ´ 5´10-4 = 7.85´10-3 Вт. (4.12)
Відповідно до ряду Е24 вибираємо резистор типу С2-33 – 0.125 – 30 кОм ±5%.
Джерелом еталонної напруги беремо параметричний стабілізатор напруги на кремнієвому стабілітроні VD2 з розрахунку
UVD2 = 0.7 Uн = 0.7 ´ 15 = 13.5 В. (4.13)
Вибираємо тип стабілітрона і виписуємо його основні параметри:
стабілітрон 2С213Б;
I VD2 = 5´10-3 А – середній струм стабілізації;
r VD2 = 25 Ом – диференційний опір стабілітрона.
Обчислюємо опір резистора R4, задавши середній струм стабілітрона (I R4 = I VD2)
R4 = 0.3 Uн / I R4 = 0.3 ´ 15 / 5´10-3 = 900 Ом. (4.14)
Потужність, що розсіюється на резисторі R4, дорівнює
РR4 =0.3Uн´ I R4 = 0.3´15´ 5´10-3= 22.5´10-3 Вт. (4.15)
Відповідно до ряду Е24 вибираємо резистор типу С2-33 – 0.125 – 910 Ом±5%.
Визначаємо початкові дані для вибору транзистора VT4. Розраховуємо напругу колектор-емітер транзистора
Uк4max = Uн + Uбе3 + Uбе2 - UVD2 = 2.90 В (4.16)
Задаємо струм колектора VT4 меншим ніж середній стабілітронаVD2
I К4 = 4´10-3А .
Потужність, що розсіюється на колекторі транзистора VT4
Р2 = Iк4´ Uк4 max = 4´10-3´ 2.90 = 11.6´10-3 Вт (4.17)
За отриманими значеннями Uк4 max , Iк4 , Р4 вибираємо тип транзистора і виписуємо його параметри:
| Марка транзистора | КТ312В |
| Тип транзистора | NPN |
| Допустимий струм колектора, Iк доп | 30 мА |
| Допустима напруга колектор-емітер, Uк доп | 15 В |
| Розсіювальна потужність колектора, Рпред | 0.22 Вт |
| Мінімальний коеф. передачі струму бази, h21Е4 min | 50 |
По статичним ВАХ обраного транзистора знаходимо:
h11Е4 = 208,3 Ом , m3 = 1 / h12Е4 = 1 / 0.034 = 29.41
Розраховуємо струм бази VT4