Компенсационные стабилизаторы напряжения реферат

Обновлено: 06.07.2024

Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

2. ВЫБОР И АНАЛИЗ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов [1].

Различие приведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко. Для стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках обычно применяются стабилизаторы напряжения последовательного типа. Их недостатком является то, что при коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу будет приложено все входное напряжение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

где: U_вх и U_вых - номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора.

D U_вх и D U_вых - изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.

2. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении.

R_вых = D U_вых / D I_вых , при U_вх = const.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

h = U_вых ´ I_вых / U_вх ´ I_вх .

4. Дрейф (допустимая нестабильность) выходного напряжения. Временной и температурный дрейф характеризуется величиной относительного и абсолютного изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.

3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

В соответствии с выбранной структурной схемой (рис. 2.1) составляем приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения. После проведения расчета, данная схема будет доработана. Только после полного расчета режимов работы и выбора элементов можно составить окончательный вариант схемы электрической принципиальной компенсационного стабилизатора напряжения.

Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения и усилителя обратной связи. Роль регулирующего элемента играет комплиментарный транзистор (состоит из 2 х транзисторов VT2 и VT3). Источник опорного напряжения – VD1R1,R2VT1. Усилитель обратной связи – R4VD2VT4,R5R6R7.

Понятие и общая характеристика, а также назначение и сферы практического применения компенсационного стабилизатора напряжения. Его внутреннее устройство и компоненты, принцип работы и технические параметры. Анализ работы устройства по критериям качества.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	28.12.2014
Размер файла	558,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

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

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_к_max): I_к_max должен быть по крайней мере на 25…50% больше максимального тока нагрузки. То есть подойдет транзистор, имеющий I_к_max не менее 1А.

Предельно допустимая мощность (P_к_max), 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_кэ_VT₁_min = 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_кэ_VT₁_min + 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 см 2 .

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_б_VT₁ = 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_кэ_VT₂ = 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_б_VT₁ + I_к_VT₂ = 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_б_VT₂ = 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:

а изменение тока в нагрузке составит

изменение напряжения на нагрузке

Таким образом, К₀ = 3.02.

Далее определим величину петлевого усиления К₀ в.

Рис. 7 Схема для определения коэффициента петлевого усиления

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

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

С ОДЕРЖАНИЕ

1. Обзор и анализ источников питания 3

2. Выбор и анализ структурной схемы 4

3. Разработка принципиальной электрической схемы 6

4. Расчет схемы электрической принципиальной 7

4.1 Исходные данные для расчета 7

4.2 Расчет схемы компенсационного стабилизатора 7

4.3 Расчет схемы защиты КСН от перегрузок 15

4.4 Разработка схемы КСН на базе ИМС 17

5. Анализ и оценка ошибок 20

7. Список литературы 23

Приложение 1. Схема электрическая принципиальная

на базе дискретных элементов 24

Приложение 2. Схема электрическая принципиальная

на базе ИМС 26

Приложение 3. ВАХ транзистора КТ827 28

Приложение 4. ВАХ транзистора КТ603 29

Приложение 5. ВАХ транзистора КТ312 30

Приложение 6. Влияние разброса параметров

электронных компонентов 31

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.

Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно себе представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики.

Неотъемлемой частью многих радиоэлектронных и электронных устройств являются стабилизаторы постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других - не только как источники питания, но и как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.

Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться в замен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.

Наиболее характерной чертой дальнейшего научно-технического прогресса в нашей стране является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

2. ВЫБОР И АНАЛИЗ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов [1] .

Рис. 2.1

Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

где: U_вх и U_вых - номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора.

D
U_вх и
D
U_вых - изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

3.
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения и усилителя обратной связи. Роль регулирующего элемента играет комплиментарный транзистор (состоит из 2 х транзисторов
VT2
и
VT3).
Источник опорного напряжения –
VD1R1,R2VT1.
Усилитель обратной связи –
R4VD2VT4,R5R6R7.

4.
РАСЧЕТ СХЕМЫ ЕЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

4.1 Исходные данные для расчета

Номинальное выходное напряжение U _н , В	15
Номинальный ток нагрузки І_н , А	5
Коэффициент пульсаций К_п , %	0,01
Коэффициент стабилизации К_ст	100
Температура окружающей среды t _ср , ° С	+20
Климатические условия	норм.

4.2
Расчет схемы компенсационного стабилизатора

Порядок расчетов приводится в соответствии с методикой приведенной в
[2]
.

Согласно схеме (рис 3.1) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора:

где U
_кз
_min
–
минимальное напряжение на регулирующем транзисторе
VT3
.

Исходя из того, что
VT3
предположительно кремневый, то
U
_кз
_min

выбираем в пределе 3..5 В.

Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора
±
10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

U
_{вх сер} = U _вх
_min
/ 0.9 = 18 / 0.9 = 20 В , (4.2)

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора
VT3
, равняется

По полученным значениям
U
_к3
_max
, I
_н
, Р₃ выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры:

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

где
h
_11Э3
– входное сопротивление транзистора, Ом;
m
₃
– коэффициент передачи напряжения;
h
_12Э3
– коэффициент обратной связи.

Находим ток базы транзистора
VT3

Определяем начальные данные для выбора транзистора
VT2
. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер
VT2

где
U_бэ3
– падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора
VT3
(0.7 В).

Ток коллектора
VT2
состоит из тока базы
VT3
и тока потерь, который протекает через резистор
R3
,

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора
VT2
, равняется

По полученным значениям
U
_к2
_max
, I
_к2
, Р₂ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

Рассчитываем ток базы
VT2

Находим сопротивление резистора
R3

Выбираем ближайший по стандарту номинал с учетом рассеиваемой на резисторе мощности

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 33 кОм
±
5%.

Источником эталонного напряжения берем параметрический стабилизатор напряжения на кремневом стабилитроне
VD2
из расчета

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон 2С213Б;

I _VD2
= 5
´
10 -3 А – средний ток стабилизации;

r _VD2
= 25 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора
R4
, задавши средний ток стабилитрона (
I _R4 = I _VD2
)

Мощность, рассеиваемая на резисторе
R4
, равняется

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 910 Ом
±
5%.

Определяем начальные данные для выбора транзистора
VT4
. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора

Задаем ток коллектора
VT4
меньшим нежили средний стабилитрона
VD2

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора
VT4

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

Рассчитываем ток базы
VT4

Ток последовательно соединенных резисторов
R5, R6, R7
берем равным 5
I
_б4

и определяем суммарное сопротивление делителя

Находим сопротивления резисторов:

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор
R5
типа МЛТ- 0.125 11 кОм
±
5%, резистор
R7
типа МЛТ- 0.125 22кОм
±
5% . Резистор
R6 выбираем СП3-44 0.25Вт 3.3кОм.

Рабочее напряжение стабилитрона
VD1
определяем из соотношения

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон 2С119А;

I _VD1
= 5
´
10 -3 А – средний ток стабилизации;

r _VD1
= 15 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора
R1
, задавши средний ток стабилитрона (
I _R1 = I _VD1
)

Мощность, рассеиваемая на резисторе
R1
, равняется

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 3.9 кОм
±
5%.

Определяем начальные данные для выбора транзистора
VT1
. Рассчитываем ток коллектора транзистора
VT1

Находим напряжение коллектор-эмиттер
VT1

где U_R2 = U_VD1 - U_бэ1 – падение напряжения на резисторе R2.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистор
a

VT1

По полученным значениям
U
_к1
_max
, I
_к1
, Р₁ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Рассчитываем сопротивление резистора
R2

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 360 Ом
±
5%.

Рассчитываем основные параметры составного транзистора:

входное сопротивление транзистора

коэффициент передачи напряжения транзистора

выходное сопротивление транзистора

Рассчитываем входное сопротивление источника стабильного тока

Рассчитываем параметры усилителя обратной связи:

сопротивление нагрузки усилителя

коэффициент усиления напряжения усилителя

Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе

Рассчитываем коэффициент пульсаций

Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора будет

Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

Найденные параметры удовлетворяют заданным условиям.

4.3 Расчет схемы защиты компенсационного стабилизатора от перегрузки.

Устройства защиты стабилизаторов напряжения от перегрузок можно разделить на встроенные, воздействующие на регулирующий элемент стабилизатора, и автономные, содержащие отдельный ключевой элемент. Обычно к стабилизаторам с защитой от короткого замыкания выходной цепи предъявляется требование автоматического возврата в рабочий режим после устранения перегрузки.

Разрабатываем схему защиты компенсационного стабилизатора напряжения от перегрузки (рис 4.1).

Схема защиты компенсационного стабилизатора от перегрузки

реализована на элементах
VT5
и
R8
.

Для расчета принимаем ток срабатывания защиты равный 110% от
I
_н
.

Рассчитываем сопротивление
R8
в соответствии с методикой изложенной в
[3]
:

Доброго всем времени суток! Сегодняшний мой пост продолжает рассказ о линейных стабилизаторах напряжения. Расскажу вам о компенсационных стабилизаторах напряжения (или сокращённо КСН).

Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов показаны ниже.

Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа

Компенсационный стабилизатор напряжения параллельного типа

Основными элементами всех компенсационных стабилизаторов напряжения являются регулирующий элемент Р; источник опорного (эталонного) напряжения И; элемент сравнения ЭС; усилитель постоянного тока У.

Компенсационный стабилизатор последовательного типа

В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения U0 и нагрузкой R_H. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U0 распределится между Р и R_H таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.

Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. Выбирая которые исходят из значений коэффициента передачи тока h_21e, напряжения насыщения между коллектором и эмиттером U_КЭнас.

Схемы элементов сравнения и усилители постоянного тока очень часто совмещают и выполняются на обычных усилителях, дифференциальных усилителях или операционных усилителях.

Рассмотрим схему компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа.

Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений U_ОП и U_РЕГ. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение U_РЕГ, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.

Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора.

Если пренебречь падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, то выходное напряжение стабилизатора

где R4’ и R4’’ соответственно верхняя и нижняя по схеме часть резистора R4.

Улучшение параметров стабилизатора

Схему простого компенсационного стабилизатора напряжения можно улучшить, заменив резистор R1, который осуществляет питание транзистора VT2, на схему стабилизатора тока. Такой способ питания позволяет существенно повысить стабильность работы усилителя постоянного тока.

В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность Компенсационного стабилизатора напряжения и малый временной дрейф (особенно при низких выходных напряжениях), применяют схемы дифференциальных усилителей. Для повышения качества выходного напряжения в усилителях постоянного тока стабилизатора применяются операционные усилители, которые обладают большим коэффициентом усиления и малым температурным уходом. Питание операционного усилителя может осуществляться непосредственно от выходного напряжения стабилизатора.

Схема стабилизатора тока. Подключение выводов: 1 – к коллектору VT1, вывод 2 – к коллектору VT.

Схема дифференциального усилителя. Подключение выводов: 1 – к эмиттеру VT1, 2 – к базе VT1, 3 – к катоду стабилитрона VD1, 4 – к аноду стабилитрона VD1, 5 – к делителю напряжения.

Расчёт последовательного стабилизатора

Пример расчёта простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Начальные условия: входное напряжение U0 = 24 В, нестабильность входного напряжения ΔU0 = ± 2 В, максимальный ток нагрузки I_Нmax = 1,5 А, коэффициент стабилизации К_СТ ≥ 10 3 . Предусмотреть плавную регулировку выходного напряжения в пределах от U_Нmin = 12 В до U_Нmax = 16 В.

1. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора VT1:

2. Определим максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT1:

3. По данным расчёта выбираем транзистор VT1, который удовлетворяет условиям:

Этим условиям удовлетворяет транзистор типа П216В с параметрами: U_CEmax = 35 В, I_{C max} = 7,5 А, P_{C max} = 24 Вт, h_21e = 30.

4. Для создания опорного напряжения UОП выберем стабилитрон типа Д814А с параметрами U_СТ = 8 В, I_СТ = 20 мА, r_DIF = 6 Ом.

5. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер усилительного транзистора VT2:

6. Исходя из условия U_CE2max

8. Учитывая, что I_R1 = I_C(VT2) + I_B(VT1), I_B(VT1) = I_Hmax / (1 + h_21e(VT1)) = 1,5/(1 + 30) ≈ 48 mA, определим сопротивление R1:

9. Определим сопротивления резисторов R3, R4, R5. Условимся считать, что если движок потенциометра R4 стоит в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение U_Нmin. В крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. Тогда можно записать уравнения

Компенсационный стабилизатор параллельного типа

В схеме параллельного стабилизатора при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействуя на регулирующий элемент, включённый параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента I_P изменяется, на сопротивлении резистора R1 изменяется падение напряжения, а на напряжение на выходе U1 = U0 – I_BXR1 = const остаётся стабильным.

Типовая схема компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа приведена ниже. В качестве гасящего устройства в этих стабилизаторах применяются резисторы (R1 на схеме) или при высоких требованиях с стабильности выходного напряжения стабилизатора применяется стабилизатор тока описанный выше, имеющий большое внутреннее сопротивление.

Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа

В основном расчёт элементов компенсационного стабилизатора параллельного типа производится аналогично стабилизатору последовательного типа.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко, в случае стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках в отличие от стабилизаторов последовательного типа. Их недостатком является то, что при возможном резком увеличении тока нагрузки (например, при коротком замыкании на выходе) к регулирующему элементу будет прикладываться повышенное напряжение, величина которого может превысить допустимое значение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Для стабилизации величин напряжений и токов применяют стабилизаторы. Они бывают компенсационными и параметрическими. В данной статье мы рассмотрим компенсационные стабилизаторы.

Компенсационный стабилизатор тока

Принципиальная схема простейшего компенсационного стабилизатора тока, которая очень распространена во всяких схемах, приведена ниже:

От схемы параметрического стабилизатора ее отличает то, что стабилизирующим элементом тут является совокупность транзистора Т, резистора R_Е и источника опорного напряжения U_оп .

Схема функционирует следующим образом: при подаче внешнего напряжения U_вх в цепи устанавливается заданный ток. На R_Е падает напряжение, которое вместе с U_оп обеспечивает между базой и эмиттером условия для этого тока. Когда же по каким либо причинам ток в нагрузке пытается измениться (например, увеличиться из-за увеличения питающего напряжения U_вх), то увеличивается и падение на R_E. Увеличение этого падения, поданное на базу положительным знаком, приведет к уменьшению общего тока, который мог бы увеличиться. Иначе говоря, подача положительного напряжения на базу относительно эмиттера увеличивает сопротивление транзистора. И на этом падение будет увеличиваться (при практически не увеличенном токе), чем и будет компенсироваться прирост питающего напряжения.

Компенсационный стабилизатор напряжения

Наиболее распространенная, но и самая простая схема стабилизатора напряжения приведена ниже:

Роль источника опорного напряжения в ней играет цепочка R_б -C_т, что представляет собой уже знакомый нам параметрический стабилизатор напряжения с кремниевым стабилитроном С_т (одновременно на этой схеме показано условное обозначение кремневого стабилитрона). Напряжение U_c_т изменяется мало. Ее выбирают несколько большей, чем U_н таким образом, чтобы обеспечить управляющее напряжение U_БЕ=U_ст — U_н

Напряжение U_н на нагрузке равняется разнице U_вх— U_БЕ. Если U_вх например, увеличивается должен увеличиться общий ток, который увеличит U_н . Однако наименьшее увеличение U_н уменьшит U_БЕ, транзистор уменьшит свой ток, что и компенсирует возможное повышение U_н.

Разберем работу этой схемы подробнее. Для этого заменим транзистор его ранее рассмотренной эквивалентной схемой, положив в ней h_12Б=0, а стабилитрон заменим его динамическим сопротивлением R_Д. Полученную таким образом схему:

Несколько упростим, отбросив резистор с проводимостью h_22Б, который зашунтирован значительно меньшим сопротивлением R_б. Получим остаточную расчетную схему:

По принципу суперпозиции отыщем только отношение ∆U_вх / ∆U_н , что входит множителем в выражение для коэффициента стабилизации.

По методу контурных токов имеем

Помножив обе части уравнения на R_н и положив I_ЕRн=∆U_н имеем

Как видим, коэффициент стабилизации тем больше, чем меньше R_л и чем больше R_б. Другие составляющие или же заданные (R_н), или принадлежат транзистору и воздействовать на них не возможно (h_11Б, h_21Б). Чтобы удовлетворить оба требования, необходимо просто подобрать кремневый стабилитрон с возможно меньшим значением R_д и с возможно меньшим значением его тока.

Ниже приведена более сложная схема:

За основу тут принята предыдущая схема. Для увеличения K_ст коллекторный ток транзистора Т1 проходит через резистор R, а падающее на нем напряжение управляет еще одним транзистором Т2, ток которого соединяется с током Т1. Для устранения возможных паразитических связей на выходе подключен конденсатор С относительно большой емкости.

Более сложные схемы стабилизаторов здесь не рассматриваются, однако все они построены по тому же принципу, который рассмотрен в этой статье.

Читайте также: