Электронные цепи и микросхемотехника (стр. 3 из 4)

Компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного тока представляют собой системы автоматического регулирования, содержащие цепь отрицательной обратной связи, по которой сигнал с выхода стабилизатора воздействует на его вход. Стабилизация напряжения на нагрузке в таких стабилизаторах осуществляется за счёт соответствующего регулирования тока, в качестве которого широко используются силовые транзисторы.

Выбранная схема компенсационного стабилизатора (КС) напряжения представлена на Рис.4.2

Рис.4.2 Компенсационный стабилизатор напряжения

Начнём расчёт схемы источника питания с расчёта компенсационного стабилизатора напряжения.

Качество работы стабилизатора оценивается следующими основными параметрами: коэффициентом стабилизации напряжения, внутренним сопротивлением, коэффициентом сглаживания пульсаций напряжения, температурным коэффициентом стабилизатора.

1) Определим коэффициент стабилизации. Коэффициент стабилизации показывает, во сколько раз стабилизатор уменьшает изменение питающего напряжения.

2) Определим выходное сопротивление (внутреннее сопротивление стабилизатора). Внутреннее сопротивление стабилизатора характеризует влияние изменений тока нагрузки стабилизатора на его выходное напряжение и определяется как отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему его приращению тока нагрузки. Очевидно, что при малом значении внутреннего сопротивления стабилизатора ослабляется влияние изменений тока нагрузки на стабилизированное напряжение.

3) Определим минимальное напряжение на входе стабилизатора напряжения (СН) (Рис.4.2), приняв

= 3В (транзистор VT1):

,

где

- выходное напряжение источника, - напряжение пульсаций на входе СН, - допустимый уровень пульсаций на выходе СН.

4) Найдём входное напряжение СН.

Так как отклонение напряжение в сети от 127В - ± 5%, то после выпрямления и сглаживания минимальное напряжение, подаваемое на вход СН, отличается от номинального (при данном коэффициенте трансформации) на 5%, поэтому можно записать:

5) Важнейшим энергетическим показателем стабилизаторов является коэффициент полезного действия

, равный отношению мощности,

потребляемой нагрузкой с выхода стабилизатора

, к мощности, потребляемой стабилизатором от источника питания . Рассчитаем максимальную мощность, потребляемую стабилизатором:

,

входной максимальный ток СН

складывается из максимального тока нагрузки , тока стабилитрона , коллекторного тока транзистора VT2 , тока делителя и тока через сопротивление R1 .

6) Определим максимальную мощность, потребляемую нагрузкой:

7) Рассчитаем КПД стабилизатора напряжения:

8) Выберем транзистор VT1:

I_к1max >

U_КЭ1max > U_вх.max - U_вых = 1,05U_вх.ст - U_вых = 6.1В

P_K > 0.68 Вт

По определённым максимально допустимым параметрам был найден транзистор PZTA28:

I_Кmax=800мА, U_КЭmax=80B, P_Kmax=1 Вт, h_21э > 20000

9) Определим I_б1, приняв h_21э=30000:

10) Рассчитаем сопротивление R1, приняв

= 1мА :

= 3.23кОм.

Сопротивление выберем из ряда Е24 R1 = 3.3кОм

11) Выберем стабилитрон VD1 марки 1N5231 (U_ст = 5,1В , I_ст = 20мА P_ст.max = 500мВт)

12) Определим сопротивление R2, считая I_б2 << I_ст = 10мА:

=0.994кОм

Сопротивление выбираем из ряда Е24 R2 = 1кОм

13) Предположим, что транзисторы VT2 и VT3 находятся в активном режиме (кремниевые транзисторы), и будем считать падение напряжения U_БЭ1 = U_БЭ2 = 0.6В для каждого транзистора. На стабилитроне падает 5.1В, примем I_б3 << I_дел,

(6)

После подстановки числовых значений и решения системы (6) получим:

R5=0.51кОм, R4=1.89кОм

Сопротивление выберем из ряда Е24 R5 = 0.51кОм, R4 = 1.87кОм

4) Выберем транзистор VT3:

I_к3max>

U_КЭ3max > U_{вх max} – U_ст = 26.87 – 5.1 = 21.77В

P_K > 18.9 мВт

По заданным максимально допустимым параметрам был найден транзистор 2N930: I_Кmax=30мА, U_КЭОmax=45B, P_Kmax=0,60Вт, h_21э=400

15) Выберем R3

= 2.4кОм, считая =1мА

16) Выберем транзистор VT2:

I_к2max>1мА

U_КЭ2max> 24-5.1 = 18.9В

P_K > 18.9 мВт

Заданным параметрам удовлетворяет транзистор 2N930

17) Рассчитаем выпрямитель и фильтр (Рис.4.3):

Рис.4.3 Мостовой выпрямитель и сглаживающий фильтр (С1)

U_ВХ=220В±5%, ΔU_Пвх=233мВ, U_вх.ст=28.67В

Определим коэффициент пульсаций:

18) Рассчитаем эквивалентное входное сопротивление СН:

Rэкв=(U_вх.ст)/(I_вхmax)=28.67В/111мА=285.28Ом

19) Определим ёмкость C1:

Выберем из ряда Е24 C1=2700мкФ

20) Найдём необходимое выходное напряжение трансформатора TV1, при котором выполняется условие U_{вых. выпр}=28.67В:

U_{вых выпр}≈0.95U_вх- 2U_vdsat = 0.95·127-1.2 = 119.45В

(принимаем U_vdsat=0,6В),

21) Коэффициент трансформации:

K_тр= (U_вх)/(U_вх1) = 119.45/28.67 = 4.17

22) Выберем диодыVD2-VD5:

,

Выберем диод 1N5820 (I_{пр max} = I_{пр и max} 60А, U_обр.max = 400B), в момент зарядки емкости через диоды, включенные в прямом направлении течет ток зарядки конденсатора, который определяется сопротивлением конденсатора на данной частоте (ток порядка 32А)

По выбранным элементам составим модель источника питания в системе OrCAD(Рис4.4) и произведём моделирование

Рис.4.4 Модель стабилизатора напряжения в OrCAD

Рис.4.5 Модель источника питания в OrCAD

По результатам моделирования получили, что при пульсации входного напряжения ΔU_Пвх = 0.233В, а пульсации выходного напряжения составляют ΔU_Пвых = 16мВ, а необходимо добиться пульсации на выходе стабилизатора ΔU_Пвых = 7мВ, этого естественно можно добиться, если увеличивать емкость

конденсатора (С1 – большие токи зарядки), но также возможно вместо резистора R1, использовать источник тока на полевом транзисторе. Схема полученного стабилизатора показана на Рис.4.6

Рис.4.6 Компенсационный стабилизатор напряжения

Источник тока должен давать ток 1мА. Выберем транзистор 2N5484 I_Снач = 3.3мА, U_ЗИотс = -1.2В. Из выражения определим

U_ЗИ = - 0.55В, . Смоделируем данную схему в OrCAD.